Спутниковое радиолокационное зондирование Японского и Охотского морей

Актуальность проблемы.

В настоящее время проводится регулярное зондирование Мирового океана с многочисленных спутников пассивными и активными приборами, работающими в видимом (0.4 -0.74 мкм), инфракрасном (0.74 мкм — 1 мм) и микроволновом (1 мм — 1 м) диапазонах электромагнитного спектра. Данные спутникового дистанционного зондирования (ДЗ) используются для определения температуры поверхности океана, характеристик поверхностного волнения, скорости приводного ветра, содержания хлорофилла, сплоченности и границ ледяного покрова, а также для построения карт течений, обнаружения нефтяного загрязнения и др. Каждому методу ДЗ — в зависимости от диапазона длин волн, в котором проводится измерение, и от технических характеристик прибора, присущи свои ограничения и недостатки. Так, в инфракрасном (ИК) и видимом диапазонах спутниковым наблюдениям океана препятствует облачность. Пассивные микроволновые измерения имеют низкое пространственное разрешение. Спутниковые приборы высокого разрешения имеют узкую полосу обзора и низкое временное разрешение. Поэтому при изучении и мониторинге океана наиболее эффективным является подход, при котором один и тот же участок поверхности океана зондируется несколькими устройствами одновременно или с некоторой разницей во времени.

Высокая эффективность комплексных измерений была продемонстрирована в 1978 г., когда был запущен первый океанографический спутник Seasat, на котором были установлены многоканальный сканирующий микроволновый радиометр, радиометр видимого и ИК-диапазонов, радарный высотомер (альтиметр), скаггерометр — активный микроволновый прибор для определения скорости и направления приводного ветра и радиолокационная станция с синтезированной апертурой (РСА). Было показано, что спутниковое радиолокационное (PJ1) зондирование обладает высоким потенциалом для изучения процессов в океане и атмосфере независимо от времени суток, метеорологических условий и освещённости. Пространственные изменения характеристик гравитационных и гравитационнокапилярных волн, вызванные этими процессами, регистрируются РСА в виде двумерного распределения интенсивности рассеянного сигнала, представляемого в виде радиолокационного изображения (РЛИ). С начала 90-х годов последовали запуски РСА на российских, европейских, японском и канадском космических аппаратах (КА) и спутниках. В 2008 г. на орбите работали уже не менее 10 РСА военного, гражданского и двойного назначения.

При общей мировой тенденции роста интереса к данным спутниковых РСА съёмке и расширения сферы их применения в океанографии, морской экологии, системах оценки, управлении и защиты прибрежных ресурсов и др., РСА почти не применяются для исследования и мониторинга отдельных районов северо-западной части Тихого океана (СЗТО). К таким районам относятся Японское и Охотские моря, участок течения Куросио у побережья Японии и течение Оясио. Так, количество изображений РСА Японского моря, заказываемых в Европейском космическом агентстве (ЕКА), с годами уменьшалось (рисунок): с 1991 по 1998 гг. со спутника ERS-1 было принято 4510 изображений, а со спутника ERS-2 с 1995 по 2005 гг. — 3419 изображений. Для сравнения, над Черным морем за тот же период и с тех же спутников было принято соответственно 3205 и 6305 изображений (при этом площадь Японского моря примерно в 2.5 раза превышает площадь Чёрного). Количество публикаций по океанологии Японского и Охотского морей, в которых использованы данные РСА, весьма ограничено.

В настоящее время изображения РСА являются важным, а в ряде случаев и незаменимым источником сведений о ледяном покрове, нефтяном загрязнении моря, о мелкои мезомасштабной структуре приводного ветра. Они используются для восстановления топографии морского дна на мелководьях, для оценки сдвига скорости и дивергенции поверхностных течений, для изучения вихревых образований и т. д. Однако интерпретация вариаций яркости РЛИ, контрастных зон и особенностей (так называемых РЛ-сигнатур) вызывает определённые сложности, обусловленные недостаточной изученностью формирования этих особенностей. Согласно двухмасштабной теории рассеяния электромагнитных волн от шероховатой поверхности, яркость изображения, получаемого спутниковой РСА, определяется, главным образом, полем спектральной плотности волн, длина которых As находятся в резонансном соотношении с длиной волны РСА Аг (так называемое резонансное или брэгговское X рассеяние): Xs = ———, где 0 — угол между направлением зондирования и нормалью к 2 sin в поверхности. Спектральная плотность мелкомасштабного волнения, вызывающего резонансное рассеяние РЛ-сигналов, зависит в первую очередь от скорости и направления приводного ветра. Но различные процессы в верхнем слое океана модулируют это волнение, вплоть до полного гашения (например, пленки нефтепродуктов), Скаттеро метры измеряют интенсивность рассеянных РЛ—сигналов, усредненную в пределах элемента разрешения (25×25 км, или 12,5×12,5 км). Разрешение изображений РСА значительно более высокое (от 1 до 100 м), поэтому на них могут быть зарегистрированы отпечатки разнообразных атмосферных и океанических мезомасштабных явлений (100 м — 100км). В настоящее время не существует надёжных.

Количество архивных изображений РСА Японского и Чёрного морей.

JaparvEast Sea Slack Sea.

Количество архивных изображений РСА Японского и Чёрного морей, принятых со спутников ERS-1,2, автоматизированных алгоритмов для распознавания этих явлений на РСА. Поэтому до применения алгоритмов восстановления параметров системы океан-атмосфера по РЛ-сигнатурам, как правило, проводится интерактивная интерпретация изображения. При интерпретации используются сведения о механизмах модуляции волнения различными возмущающими факторами и дополнительная информации, которая может включать спутниковые данные, полученные другими сенсорами, подспутниковые гидрометеорологические измерения, а также карты погоды, батиметрии, климатологию и др. Недостаточная изученность физических механизмов, вовлечённых в процесс формирования РЛИ, вызывает трудности при интерпретации вариаций яркости. Это диктует необходимость проведения дальнейших экспериментальных исследований и совершенствования методов обработки и анализа изображений РСА с учётом современных теоретических представлений о вариациях спектра морского волнения, моделей рассеяния и региональной специфики изучаемых явлений. Надёжность интерпретации изображений, а, следовательно, и точность восстановления параметров среды повышаются при использовании мультисенсорного подхода. При этом важную роль играет знание региональных характеристик изучаемых районов, особенно тех, которые приводят к появлению на спутниковых изображениях устойчивых повторяющихся особенностей. Такие повторяющиеся особенности выделяются при просмотре архива изображений РСА. Большой объём спутниковых данных требует современных способов для их обработки, хранения и анализа.

Цель и задачи исследования

.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании разномасштабных динамических явлений и процессов в приповерхностном слое Японского и Охотского морей на основе комплексного анализа изображений, получаемых спутниковыми радиолокационными станциями с синтезированной апертурой, и сопутствующей дистанционной и контактной информации.

Для достижения этой цели потребовалось решение следующих задач:

1. Оценить целесообразность и эффективность применения спутниковой РСА как инструмента для исследования и мониторинга Японского и Охотского морей путем совместного анализа радиолокационных, инфракрасных, видимых и пассивных микроволновых изображений.

2. Сформировать архив изображений РСА Японского и Охотского морей, разработать программные средства для обработки, визуализации, анализа и архивирования разнородных спутниковых данных.

3. Изучить связь между положением радиолокационных (РЛ) контрастов, градиентов температуры поверхности океана и концентрации хлорофилла а.

4. Исследовать характеристики и пространственное распределение внутренних волн (ВВ) в Японском и Охотском морях по данным РСА и спектрорадиометрав MODIS.

5. Исследовать мезомасштабные явления и процессы в зал. Петра Великого по данным мультисенсорного спутникового зондирования высокого и среднего разрешения.

Достоверность результатов.

При изучении динамических явлений в Японском и Охотском морях на основе анализа спутниковых изображений РСА был использован опыт интерпретации самолётных и спутниковых PJI-данных, полученных в различных районах Мирового океана за более чем за 30-летний период, и суммированный в научных статьях и монографиях, а также результаты моделирования PJI-рассеяния. Достоверность интерпретации PJI-сигнатур подтверждается сопоставлением изображений РСА с другими видами спутниковых измерений и подспутниковой гидрометеорологической информацией. Результаты работы неоднократно обсуждались с ведущими российскими и зарубежными специалистами в области РЛ-исследования океана при выполнении совместных международных проектов и размещены в Интернете на ряде международных сайтов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Спутниковые изображения РСА позволяют регистрировать положение и границы течений, вихрей и других динамических явлений на поверхности Японского и Охотского морей с масштабами от 100 м до нескольких сотен километров.

2. Анализ изображений РСА и MODIS показал, что внутренние волны в Японском и Охотском морях наблюдаются почти повсеместно, в том числе в глубоководных районах. Максимальная повторяемость ВВ в Японском море отмечается в августе-октябре в районах с глубинами от 30 до 3500 м. Максимальная повторяемость ВВ в Охотском море наблюдается в июне и сентябре в районах с глубинами менее 1000 м. Минимальные длины ВВ не превышают 100 м, а максимальные достигают 14,5 км в Японском море и 6 км — в Охотском. Длина гребней ВВ в Японском море превышает 200 км, а в Охотском — 100 км.

3. Характерная мезомасштабная изменчивость приводного ветра над зал. Петра Великого, обусловленная организованной конвекцией и орографией, восстановленная по РЛ-данным, составляет 3−5 м/с на горизонтальных масштабах 5−10 км.

4. Анализ спутниковых изображений высокого пространственного разрешения позволил выявить повторяющиеся особенности циркуляции поверхностных вод в зал. Петра Великого, обусловленные характером общей циркуляции вод в северо-западной части Японского моря.

Научная новизна результатов.

1. Впервые выполнена классификация явлений в океане и атмосфере в Японском и Охотском морях по их отпечатками в поле РЛ-рассеяния на изображениях РСА.

2. Выявлена разномасштабная пространственная структура вихревых образований (от 2−3 до 70−100 км), внутренних волн (от 100 до 14.5 км), и других динамических явлений в Японском море.

3. Показана сопряженность положения PJI-контрастов, зон максимальных градиентов температуры поверхности моря (ТПМ) и концентрации хлорофилла а.

4. Доказано, что внутренние волны в Японском и Охотском морях наблюдаются практически повсеместно. Определены характеристики ВВ, в том числе, в районах, где они ранее не отмечались.

5. Впервые получены количественные оценки мезомасштабной изменчивости поверхностных течений, ледяного покрова и приводного ветра в зал. Петра Великого.

Научная и практическая значимость.

Сформированный и пополняемый архив изображений РСА со спутников ERS-1, ERS-2 и Envisat в сочетании с программным комплексом для их обработки и визуализации является ценным источником информации о пространственных и временных характеристиках различных океанических и атмосферных явлений в Японском и Охотском морях, таких как внутренние атмосферные и океанические волны, вихревые образования различных масштабов, фронтальные разделы и др.

Полученные характеристики внутренних гравитационных волн (длина и ширина гребней, расстояние между ними, скорости перемещения, величина радиолокационного контраста и др.) являются источником сведений при разработке и валидации математических моделей распространения и трансформации ВВ.

Полученные оценки мезомасштабной изменчивости поверхностных течений, ледяного покрова и приводного ветра в зал. Петра Великого могут быть использованы при проектировании и строительстве нефтяных и газовых терминалов, мостов, а также при планировании развития и во время эксплуатации рекреационной зоны в заливе.

Результаты работы были использованы при выполнении НИР по грантам РФФИ: 02−07−90 354-в, 06−05−65 177-а, 06−05−96 076-рвостока, 06−05−96 131-рвостока и ИНТ AC: INTAS-99−0242 (ADI'DAS), INTAS-03−51−4987 (SIMP).

Апробация работы.

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались в период 2000;2007 г. г. на 20 международных и российских конференциях, включая: CREAMS (Владивосток, 2000), PICES (Владивосток, 2003) — ESA ERSEnvisat Symposium (Гётеборг, Швеция, 2000 г.- Зальцбург, 2004; Монтрё, Швейцария, 2007), 24th Asian Conference on Remote Sensing (Pusan, Korea, 2003), Specialist Meeting on Microwave Remote Sensing (Рим, Италия, 2004), PORSEC (Бали, Индонезия, 2002; Чили, 2004), «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, ИКИ РАН, 2003; 2004; 2006), International Symposium on the Okhotsk Sea and Sea Ice (Mombetsu, Hokkaido, Japan, 2000; 2001; 2002; 2003; 2005), IGARSS (Сеул, Корея, 2005; Денвер, США, 2006), «Радиолокационное исследование природных сред» (С.-Петербург, 2006) — «Достиженш в спутниковой океанографии: изучение и мониторинг окраинных морей Азии (к 50-летию запуска первого искусственного спутника Земли)» (Владивосток, 2007).

Реализация результатов.

Результаты работы использовались при выполнении плановых тем института, в проектах «Спутниковая океанология» и ФЦП «Мировой океан». Они были также использованы в международных проектах и размещены в интернете на сайтах:

• «The tropical and subtropical ocean viewed by ERS SAR» (при поддержке Европейского космического агентства) (http://earth.esa.int/applications/ERS-SARtropical/):

• «Advanced Detection and Interpretation of Oceanic and Atmospheric Signatures in Dual Polarization Airborne and Spaceborne Radar Imagery (ADI'DAS)» (INTAS-99−0242) (http://adidas.iki.rssi.ru/);

• «Slicks as indicators of marine processes (SIMP)» (INTAS-03−51−4987) (http://simp.iki.rssi.ru/, http://simp.poi.dvo.ru);

• «Oil spill monitoring by remote sensing» (в рамках Программы ООН по окружающей среде (UNEP)) (http://cearac.poi.dvo.ru);

Все аннотированные изображения РСА, полученные со спутников ERS-1 и ERS-2, интегрированы в корпоративную океанографическую ГИС ДВО РАН, сконструированную на основе интернет/интранет технологий («http://gis.poi.dvo.ru).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 39 научных работ, приведенных в конце автореферата: из них 7 статей в рецензируемых журналах, в том числе 5 в журнале из списка ВАК, 4 главы в трех монографиях и 28 статей в трудах российских и международных конференций.

Личный вклад автора.

Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении подспутниковых экспериментов, анализе и интерпретации спутниковых и натурных измерений. Автору принадлежит программное обеспечение для обработки, архивирования, анализа и визуализации разнородной спутниковой и сопутствующей информации.

Выводы.

Анализ спутниковых изображений с высоким разрешением показывает, что при слабых ветрах (0−5 м/с) циркуляция вод в зал. Петра Великого определяется особенностями развития общей циркуляцией Японского моря. При теплом типе термических условий Японского моря в зал. Петра Великого в сентябре-октябре проникают трансформированные субтропические воды. При северо-восточном направлении потока теплых вод в заливе формируются три спиральных циклонических вихря, в которые вовлекаются более холодные и менее прозрачные прибрежные воды. Вихрь диаметром ~40 км располагается к востоку от о. Б. Пелис, а два циклона с диаметрами ~ 15−25 км находятся южнее п-ва Гамова и о. Аскольд. При восточном направлении потока трансформированных субтропических вод в различное время года в юго-западной части залива вдоль изобаты 50 м могут генерироваться от одного до четырех циклонических спиральных вихря размером 5−10 км. При благоприятных погодных условиях (скорость приводного ветра в диапазоне 2−7 м/с) на поверхности богатых планктоном вод появляются плёнки поверхностно-активных веществ, которые служат трассерами, визуализирующими на спутниковых изображениях РСА и на изображениях в видимом диапазоне почти во всех частях зал. Петра Великого спиральные циклонические вихри диаметром от 1.5 до 10 км.

Если при теплом типе термических условий в северо-западной части Японского моря преобладает адвекция вод из системы Приморского течения, то в осенний период в восточную часть залива двумя узкими потоками (шириной 7−10 км) с востока и юга поступают прибрежные воды южного Приморья, характеризующиеся повышенной биологической продуктивностью. При слабом ветре (2−3 м/с) скорости течений в заливе составляют в среднем 0.2−0.3 м/с с максимумом 0.6 м/с в проливах между островами. В периоды обострения северо-западной ветви субарктического фронта скорости и градиенты скорости повышаются в центральной части залива на акватории между изобатами 50 и 100 м.

Поверхностное течение в пр. Босфор Восточный, судя по распределению плёнок ПАВ и начальных форм льда, имеет реверсивный характер. Направление потока зависит от ветрового режима и от общей циркуляции вод в заливе. Двунаправленное течение, отмеченное в лоции [43], зарегистрировано в центральной части пролива при образовании циклонического вихря.

При умеренных и сильных ветрах северных румбов, воды залива выносятся из зал. Петра Великого в открытое море.

Во время весеннего снеготаяния и дождевых паводков на циркуляцию вод в зал. Петра Великого существенное влияние оказывает сток рек Раздольная и Партизанская.

4.4 Нефтяное загрязнение.

Основными источниками загрязнения морской среды в прибрежной зоне являются:

• поступление загрязняющих веществ (ЗВ) из атмосферы;

• сток с рельефа суши, который включает в себя речной сток и дождевой сток с городских территорий;

• водовыпуски предприятий и жилых массивов;

• несанкционированные сбросы ЗВ с судов;

• аварийные ситуации на судах и прибрежных предприятиях, приводящие к выбросу в морскую среду ЗВ.

Если поступление ЗВ сопровождается изменением цвета моря, температуры или шероховатости его поверхности, то источник и масштаб загрязнения при определённых параметрах окружающей среды можно оценить с помощью средств спутникового дистанционного зондирования. Изменения концентрации взвешенных и растворённых веществ приводят к вариациям оптических характеристик морской водыцвета и прозрачности. Регистрация спутниковыми многоспектральными сенсорами восходящего излучения в узких спектральных интервалах видимого и ИК диапазонах позволяет определять различные био-оптические параметры морской воды: содержание хлорофилла, коэффициент поглощение, содержание жёлтого вещества и др. Если ЗВ содержат поверхностно-активные субстанции, которые подавляют мелкомасштабные компоненты спектра волнения, то загрязнённые участки морской поверхности регистрируются на радиолокационных изображениях как области с пониженной яркостью.

Спутниковые сенсоры видимого, инфракрасного и микроволнового диапазонов эффективно применяются для мониторинга загрязнения прибрежной зоны Европы [98], Калифорнии [89] и Гавайских островов [2−3]. РСА представляет собой уникальный инструмент для обнаружения и мониторинга нефтяного загрязнения морей. PJl-изображения позволяют не только надёжно фиксировать нефтяное загрязнение на обширных акваториях в любое время суток и независимо от облачности, но и оценивать характеристики, необходимые для моделирования поведения пятна на поверхности моря такие, как скорость ветра (рисунок 4.11), течения и др. Плёнки нефтепродуктов гасят капиллярногравитационные волны, поэтому на РЛ-изображении выглядят темнее по сравнению с фоном. Ряд явлений и объектов при слабом ветре сложно отличить от нефтяных загрязнений на изображениях РСА. К ним относятся природные пленки поверхностно-активных веществ, появляющихся на поверхности моря в процессе жизнедеятельности и разложения морских организмов [111]. Визуально различить плёнки антропогенного характера и природного происхождения можно по более тонкой (волокнистой) структуре последних. Кроме этого, плёнки разлившихся по поверхности нефтепродуктов разрушаются при больших значениях скорости ветра, чем пленки природные. Биогенные плёнки разрушаются при скорости ветра > 6м/с.

Рисунок 4.1! — Природные и антропогенные плёнки на поверхности зал. Петра Великого на изображениях, полученных усовершенствованной РСА ASAR со спутника Envisat: (а) 15 августа 2007 г. в 13:04 Гр. и (б) 16 августа 2007 г. в 01:16 Гр.

Фрагменты, очерченные красными квадратами, в увеличенном масштабе показаны на левых врезках. Темные полосы AwBследы за судами, осуществившими сброс нефтепродуктов. На правых врезках приведены поля приводного ветра, рассчитанные по радиолокационным изображениям. Цифры на врезках — средняя скорость ветра в квадратах 6 км х 6 км. рисунок 4.11), в то время как плёнки нефтепродуктов различимы на поверхности моря при ветре до 12 м/с. Поэтому при определённых ветровых условиях, антропогенное загрязнение в заливах можно определить с достаточной степенью надёжности. В 2004 г. в рамках одной из программ UNEP был создан портал «Oil spill monitoring by remote sensing» (http://cearac.poi.dvo.ru") [46], посвящённый спутниковому мониторингу нефтяных разливов в районе NOWPAP. Портал является единой точкой входа в ресурсы Интернета, в которых собраны сведения по проблемам нефтяного загрязнения Мирового океана и, в первую очередь, по спутниковому мониторингу Японского, Жёлтого морей и северной части Восточно-Китайского морей (район NOWPAP). Портал подключен к программным и архивным ресурсам ОИАС ТОЙ, что позволяет, в частности, сортировать изображения, на которых зарегистрированы нефтяные разливы, по различным параметрам, просматривать выбранные изображения в отдельном окне, знакомиться с аннотацией. Проведённый анализ изображений РСА северо-западной части Тихого океана свидетельствует о том, что эти два моря — одни из самых загрязнённых в регионе. А самым неблагополучным районом Японского моря является его северо-западная часть, включая зал. Петра Великого, где кроме сбросов нефтепродуктов с судов, загрязнение прибрежных акваторий происходит в бухтах портовых городов, среди которых выделяются б. Золотой Рог, пролив Босфор Восточный, заливы Стрелок и Находка [18].

Моделирование нефтяных разливов в заливе Петра Великого.

PJI-изображения позволяют не только надёжно фиксировать нефтяное загрязнение, но и оценивать скорость и направление ветра и объём разлившейся нефти — параметры, необходимые для моделирования поведения пятна в море. Важно подчеркнуть, что процессы трансформации и дрейфа нефтяных пятен в существенной степени зависят от положения и интенсивности фронтальных разделов, вихревых образований и других динамических явлений, которые качественно и количественно регистрируются РСА. Указанные факторы не нашли адекватного отражения в существующих моделях эволюции нефтяных пятен в море.

Ниже представлены результаты моделирования эволюции двух нефтяных разливов, которые произошли в зал. Петра Великого вблизи от Дальневосточного государственного морского заповедника. Использовалась модель ADIOS2, разработанная в NASA по заказу правительства США, которая позволяет рассчитать поведение нефтепродуктов в море в течение пяти суток с момента разлива при различных погодных условиях. Солёность воды в модели ADIOS2 задаётся 3 градациями. Для морской воды принята градация > 32%о. Состав и свойства нефтепродуктов, в частности, льяльных вод, установить дистанционными методами трудно, если вообще возможно. Поэтому параметры нефти были взяты из базы данных программы ADIOS2, где приведены сведения для более 1500 типов сырой нефти и нефтепродуктов. Расчеты велись для Сахалинской нефти. При 15 °C ее плотность равна 0,863 г/см3, а вязкость — 4,6 сСт. Направление приводного ветра определялось по форме нефтяного пятна. Скорость приводного ветра над незагрязненными участками моря вблизи от пятна была рассчитана по измеренным значениям УЭПР по модели CMOD4 с учетом угла визирования и направления ветра. Восстановленные параметры ветра находились в согласии с данными метеостанции Владивосток на момент зондирования (архив сайта «Погода России»).

На рисунке 4.12а представлено изображение зал. Петра Великого, полученное РСА со спутника ERS-2 22 сентября 1997 г. в 2:00 Гр на 12 668 витке. На изображении отчетливо видно темное вытянутое пятно, которое образовалось вследствие сброса загрязняющих веществ с судна (рисунки 4.12а). Площадь пятна составила 22 500 000 м2. Значение УЭПР в более темной части нефтяного пятна а°н = -19,8 дБ, а в более светлой а°н = -13,2 дБ. Значение УЭПР фона заметно выше и составляет а°ф = -10 дБ. По отношению а°н/а°ф и на основе данных натурных наблюдений была оценена толщина пленки du, которая оказалась заключена в пределах типичных значений 0,1−0,5 мкм. Объем выброшенных нефтепродуктов Vh рассчитывался при значениях dH = 0,1 мкм и 0,5 мкм и составил 2,25 м³ и 11,25 м³ соответственно.

По измерениям со спутника NOAA температура воды 22 сентября равнялась 15 °C. Скорость ветра, восстановленная по модели CMOD4, составила 3 м/с. Направление ветра определялось по ориентации узких полос нефтепродуктов и по положению сплошной (более толстой) полосы с подветренной стороны пятна (рисунок 4.126). В момент PJI-зондирования направление ветра над пятном было 217°.

Таким образом, были получены или заданы все данные, необходимые для моделирования поведения нефти в море: свойства нефтепродуктов, объем и площадь нефтяного разлива, скорость и направление ветра, температура и соленость морской воды.

Из результатов моделирования следует, что при объеме нефти Vh — 2 м³ (толщина пленки 0,1 мкм) потери за счет испарения составляют 22% за первые два часа, после чего испарение замедляется. За первые сутки объем потерь возрастает до 40%. В последующие четверо суток испарение нефти происходит медленно, и количество оставшихся более тяжелых фракций нефти составляет около 59% от первоначального объема. Если принять, что толщина пленки 0,5 мкм, то объем разлива составит 11,25 м³. Нефть в этом случае испаряется несколько медленнее и за два часа теряет до 19% от первоначального объема. Дальнейшие потери нефти в процентном отношении такие же, как и при объеме в 2 м³.

Из результатов моделирования следует, что через пять суток после разлива 22 сентября 1997 г. в море могло остаться 59% от первоначального объема разлитой нефти (рисунок 4.13). Если принять скорость дрейфа плёнки равной 3% от скорости ветра, то за 5 суток при ветре 3 м/с.

Рисунок 4.12- Изображение РСА зал. Петра Великого, полученное со спутника ERS-2 22 сентября 1997 г. (а). Белый прямоугольник очерчивает фрагмент изображения, показанные в увеличенном масштабе на рисунке (б). Большой прямоугольник на рисунке (б) — границы увеличенного фрагмента, показывающего определение направления ветра по ориентации узких полос нефтепродукта (в). нефтепродукты могли сместиться на расстояние до 13 км. Кратчайшее расстояние от пятна до границы морского заповедника составляло -10 км.

Изображение зал. Петра Великого, полученное РСА со спутника ERS-2 23 марта 1999 г. в 13:26 Гр., орбита 20 505, показано на рисунке 4.146. На изображении виден след от сбрасываемой на ходу судна загрязнённой нефтепродуктами воды (рисунки 4.146). Значение УЭПР в более темной части пятна составляет -24,2 дБ, значение УЭПР фона составляет -11,6 дБ. По отношению.

О 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120.

Время, ч —•—22.09.1997 —23.03.1999.

Рисунок 4.13 — Термические и динамические структуры в области течения Соя 13 мая 2002 г.: (а) изображение РСА со спутника ERS-2 в 01:18 Гр, (б) ИК-изображение со спутника NOAA в 03:46 Гр. Черные цифры — температура поверхности воды. о°н / о°ф и на основе натурных наблюдений и экспериментов [145] можно оценить толщину пленки в 0,2 мкм. При общей длине следа 60 км площадь пятна составляет 24 600 000 м2, что дает объем разлива 4.9 м Температура воды в районе разлива была — 0 °C. В момент зондирования направление ветра над пятном составляло 145°. Скорость ветра, рассчитанная по модели CMOD4, составила 3 м/с. Как и в предыдущем случае, для моделирования были взяты параметры сахалинской нефти. Результаты моделирования показывают, что за первые два часа нефть за счет испарения теряет до 18% своего количества, после чего испарение замедляется. За сутки эта величина возрастает до 29%, При температуре воды 0 °C потери нефти меньше, чем при 15 °C, как это было 22 сентября. При неизменных гидрометеорологических условиях в море через пять суток осталось бы 63% от объема первоначально разлитой нефти (рисунок 4.13). При скорости дрейфа плёнки равной 3% от скорости ветра пятно нефтепродуктов за 5 суток могло сместиться на 13 км. Кратчайшее расстояние от пятна до границы морского заповедника составляло 2,2 км.

Как видно из представленных примеров, спутниковые РСА являются эффективным инструментом для обнаружения нефтяного загрязнения на обширных акваториях в любое время суток и независимо от облачности. Помимо обнаружения нефтепродуктов, по изображениям РСА могут быть определены характеристики ветра, положение фронтальных разделов и вихревых образований, необходимые для моделирования поведения пятна на поверхности моря. В настоящее время изображения РСА используются при мониторинге загрязнения Северного, Балтийского и Средиземного морей, но не востребованы экологическими организациями и службами в дальневосточном регионе. Отметим в связи с этим, что потенциал РСА был продемонстрирован в январе 1997 г. при аварии танкера «Находка» у берегов Японии (RADARSAT) и в декабре 2007 г. при аварии у побережья Южной Кореи танкера «Heibei Spirit».

Рис. 4.14 — Сброс загрязненных нефтепродуктами вод на акватории дальневосточного морского заповедника и прилегающих к нему водах, (а) Черный квадрат показывает границы изображения РСА, полученного со спутника ERS-2 23 марта 1999 г. в 13:27 Гр. Зеленым цветом выделены акватории заповедника, (б) Изображение РСА размером 100 км х 100 км. Размер пикселя 12,5 м х 12, 5 м. Белый прямоугольник очерчивает границы фрагмента (в), на котором в виде темной расплывающейся полосы виден след за судном, нелегально сбрасывающим загрязненные воды. Красный квадрат ограничивает начальную часть полосы. Увеличенное изображение этой области показано в правой нижней части фрагмента (в), на котором судно — источник загрязнения залива-отображается в виде белого прямоугольника. Площадь загрязненной поверхности примерно 15 км².

Заключение

.

В результате проведённого исследования доказано, что спутниковые РСА являются эффективным инструментом для изучения и мониторинга явлений и процессов в Японском и Охотском морях с масштабами от 100−200 м до нескольких сотен километров. Получены следующие результаты и выводы:

1. Создан архив аннотированных изображений северо-западной части Тихого океана, полученных РСА со спутников ERS-1, ERS-2, Envisat и ALOS, интегрированный в океанологическую информационную-аналитическую систему ТОЙ. Разработан комплекс программных средств для обработки, архивирования, анализа и визуализации разнородных спутниковых данных.

2. Изучены и систематизированы особенности проявления на изображениях РСА разномасштабных динамических явлений и процессов в Японском и Охотском морях.

3. Положение PJI-сигнатур, обусловленных градиентами скорости непериодических поверхностных течений в Японском море, в южной части Охотского моря и в Сахалинском зал., весной и осенью совпадает с максимальными градиентами ТПМ.

4. Проведён анализ и обобщение спутниковых изображений Японского и Охотского морей для изучения структуры, характеристик и пространственно-временной изменчивости гравитационных внутренних волн. Показано, что поверхностные проявления ВВ в августе-октябре наблюдаются на всей акватории Японского моря. В Охотском море нелинейные ВВ наиболее распространены на всём шельфе о. Сахалин с максимумами повторяемости в июне и августе-сентябре.

5.Впервые построены с высоким пространственным разрешением поля приводного ветра, дрейфа льда и скорости поверхностных течений в зал. Петра Великого.

6. По данным РСА выделены районы наибольшего загрязнения нефтепродуктами, определены площади отдельных разливов, оценены их объёмы. Создан интернет-ресурс по спутниковому мониторингу нефтяных разливов в Японском и Жёлтом морях.