Новое о внутренних волнах на морском шельфе на основе комбинированного мониторинга панорамной фотокамерой и ADCP

Обсуждаются результаты уникального эксперимента по исследованию внутренних волн в море на основе комбинированного мониторинга панорамной фотокамерой и акустическим доплеровским профилометром течений (ADCP). Измерения были проведены в шельфовой зоне Японского моря в акватории, прилегающей к мысу Шульца в сентябре 2004 г. Эксперимент включал в себя проведение синхронных измерений состояния морской поверхности с помощью установленной на отвесном высоком берегу сканирующей панорамной фотокамерой и внутренних волн и течений с помощью ADCP, установленного на заякоренной яхте в точке моря с глубинами около 40 м. Было прослежено за распространением движущихся из открытого моря к берегу пакетов интенсивных внутренних волн, высоты которых достигали 10 м. Волны с такими амплитудами типичны для шельфа Японского моря. Эти сгенерированные в районе материкового склона внутренние волны сопровождались хорошо различимыми поверхностными проявлениями в виде сликовых полос с почти прямолинейными фронтами протяженностью в несколько километров. Панорамная фотокамера зарегистрировала два цуга внутренних волн, отстоящих друг от друга на определенном расстоянии, и движущихся к берегу под различными углами еще до момента пересечения ими местоположения заякоренной яхты. В первом цуге было три волны, а во втором – шесть. На двух последовательных снимках, сделанных 20 сентября 2004 г. в 19:34 и 20:10 местного времени, помимо сликовых полос от внутренних волн отчетливо видны характерные светлые полосы, расположенные почти по нормали к берегу, обозначающие границы фронтальных разделов, которые подворачивают при приближении к берегу, создавая циклонический вихрь. Сопоставляя два снимка по изменению положения фронтальных полос можно сделать вывод о присутствии прибрежного вдольберегового течения на северо-запад. Другая особенность поверхности моря, хорошо видимая на снимках, связана с внутренними волнами. Это две группы темных полос около точки, обозначающей местоположение яхты. Первая состояла из 3 более широких полос, вторая – из 6 более узких. Почти прямолинейные фронты полос этих двух групп были ориентированы под углом друг к другу (около 30 град.), так, что первая группа полос двигалась в направлении, близком к нормали береговой черты, а вторая – подворачивала вместе с вдольбереговым течением. За 36 мин обе системы полос заметно продвинулись к берегу. Заметим, что если на радиолокационных изображениях морской поверхности более светлые участки обозначают усиление ряби, а более темные участки соответствуют сликам (Серебряный, 2012), то в оптическом изображении все наоборот. Слики выглядят светлыми, а полосы повышенной шероховатости – темными. Была проведена обработка набора последовательных фотоснимков поверхности моря, которая включала в себя перевод на "плоскость" фотоизображений с помощью афинного преобразования. После проведения этой процедуры были получены оценки скоростей волн и направлений их распространения. При прохождении волн через ADCP были зарегистрированы следующие данные. Первый пакет состоял из 3 волн, с периодом около 11.5 мин, второй – из 6 волн с периодом 7.5 мин. Измеренные вертикальные скорости течений при прохождении пакетов внутренних волн меняли свой знак по всему водному столбу и изменялись в пределах от –5 см/с до 5 см/с. Волны распространялись по придонному термоклину и имели типичную в этих случаях для нелинейных волн солитоноподобную форму-волн возвышений.До подхода к точке наблюдения внутренние волны прошли "точку переворота", трансформировавшись из начально распространявшихся по шельфу волн-углублений в волны-возвышения.Этот эффект имеет повсеместное распространение для интенсивных внутренних волн при их движении по шельфу к берегу (Серебряный, Пао, 2008).
Проведенный комбинированный мониторинг позволил детально измерить полный набор основных параметров наблюдавшихся внутренних волн. С помощью панорамной фотокамеры определены и измерены: направление движения волн, длины волн, скорости их распространения, длины фронтов волн, размеры фронтов волн и степень их кривизны, количество волн в цугах. ADCP измерил: высоты и периоды волн, положение термоклина относительно дна, скорости орбитальных движений во внутренних волнах, фоновые течения во время прохождения цугов волн. Помимо измерения вышеуказанных параметров примененная методика комбинированного мониторинга выявила нелинейность измеренных волн, а также новые особенности пространственного строения поля внутренних волн в прибрежной зоне. В частности, цуги внутренних волн хоть и разнесены по времени на небольшой интервал, но подходят к берегу под разными углами. Появление в последнее время спутниковых снимков высокого разрешения дало возможность с их помощью обнаружить эту особенность также и для внутренних волн в Черном море (Лаврова и др., 2013). Работа выполнялась частично при поддержке РФФИ (проект №19-05-00715).