Некоторые приложения измерений БПЛА для исследования динамических процессов в морской среде

В работе представлен опыт использования данных беспилотного летательного аппарата (БПЛА) для исследования некоторых динамических процессов в морской среде.
Наиболее частым наблюдающимся процессом является поверхностное волнение. Данные БПЛА позволяют на основе спектрального анализа яркости определять пространственное распределение длин и направлений волн, а кросс-корреляционный анализ дает возможность оценивать скорости волн при стационарной съемке. Видеонаблюдения в условиях интенсивных ветров позволяют наблюдать обрушения волн, определять их размеры, форму и скорости, что дает возможность оценить связь характеристик волн и обрушений.
Еще одними из важных процессов, хорошо заметным в измерениях БПЛА, являются прибрежные выносы взвешенного вещества. При подходящих метеоусловиях потоки взвеси трассируют различные динамических структуры: субмезомасштабные вихри, грибовидных течения, струи. Наиболее часто эти процессы наблюдаются в районах топографических особенностей – мысов, бухт. Данные БПЛА позволяют определять характеристики этих структур с разрешением в несколько сантиметров, отслеживать их динамику на коротких периодах времени. Измерения БПЛА позволяют скорректировать маршруты судовых экспедиций в режиме реального времени, что дает возможность осуществлять гидрологические измерения в районах с наиболее интересными динамическими особенностями. В частности, во время морской экспедиции 17 сетября 2019 г. подспутниковые судовые измерения, сопровождающиеся съемкой БПЛА, позволили обнаружить субмезомасштабную струю у м. Маргуполо c крайне высокими концентрациями взвешенного вещества (>4 мг/л). Этот же поток наблюдался в поле яркости на снимке Sentinel-2. Такая информация позволяет углубить существующее понимание о субмезо- и мелкомасштабных процессах, влияющих на перераспределение взвеси и динамику береговой линии в прибрежной зоне. Сопоставление контактных данных, аэро- и спутниковой съемки в чистых и мутных водах в перспективе позволит разработать и усовершенствовать алгоритмы определения концентрации взвешенного вещества по данным оптических спутников высокого разрешения.
На основе измерений БПЛА у побережья Крыма зафиксировано несколько субмезомаштабных вихрей диаметром до 1 км. Исследована структура этих вихрей в поле взвеси. В частности, показано, что вихри захватывает взвесь от берега и аккумулируют её в свое ядро. При этом на периферии таких кросс-шельфовых потоков и самих вихрей из-за неустойчивости наблюдается развитие периодических структур размерами 50-100 м. Контактные измерения позволили определить характеристики изменчивости температуры и биооптических характеристик на фронтах субмезомаштабных вихрей. Кроме того, на основе расчета траектории трассеров, запущенных с судов, по измерениям БПЛА оценены орбитальные скорости вихря диаметром около 2.5. км, которые превысили 1 м/с на его периферии.
Отметим также, что данные БПЛА позволяют наглядно определять особенности строения береговой линии и характеристик дна, давать информацию о расположении полей бентосных водорослей, песчаных полей, оценивать глубины в прибрежной зоне.
Исследование субмезомасштабных вихрей по данным БПЛА и судовых съемок выполнено при поддержке гранта РФФИ 19-05-00479, изучение волновых процессов по данным БПЛА при поддержке гранта РФФИ 19-05-00752, разработка методов определения скорости волн и течений по данным БПЛА выполнено в рамках Госзадания 0555-2019-0001