Восстановление тонкой структуры течений океанических вихрей с помощью стандартного кросс-корреляционного алгоритма

Вихревые структуры в океане оказывают сильное влияние на процессы локального и глобального обмена теплом, импульсом и веществом, на вертикальное и горизонтальное перераспределение химических элементов, неорганической взвеси, фито- и зоопланктона в толще воды. Одним из наиболее достоверных источников информации о характеристиках таких вихревых структур являются прямые натурные измерения [1-3], однако их проведение имеет значительные ограничения. Использование методов дистанционного зондирования, в частности, спутниковых, позволяет оперативно получать информацию о состоянии верхнего слоя океана на больших акваториях. Вихревые структуры на оптических, радиолокационных и радиометрических спутниковых изображениях появляются в виде спиральных структур, состоящих из неоднородно распределенного фитопланктона, битого льда, поверхностно-активных веществ, неорганической взвеси и др. Однако одиночные спутниковые наблюдения не позволяют определить не только характеристики течений, но даже корректно оценить масштаб вихревой структуры [4, 5]. В свою очередь, использование кросс-корреляционных методов, таких как Maximum Cross Correlation [6], в приложении к паре близких по времени снимков акватории, позволяет восстановить характеристики двумерных полей скорости. Анализ временных рядов спутникового наблюдения Балтийского моря выявил регулярный пролет мультиспектральных оптических спутников Sentinel 2A Multispectral Instrument и Landsat-8 Operational Land Imager, обладающих высоким пространственным разрешением съемки, с оптимальным временным интервалом между ними. В летние месяцы вихревые структуры часто проявляются благодаря существенно неоднородному распределению фитопланктона в верхнем слое моря, что позволяет восстановить тонкую структуру поля горизонтальных скоростей. Одна из спиральных структур, обнаруженных восточнее о. Готланд 25.07.2018, была исследована детально. Времена пролетов спутников 9:47:50UTC и 10:04:30UTC соответственно, разрешение полученных полей скоростей составило порядка 2 км.
Полученные горизонтальные течения характеризуются асимметричной структурой с парой точек нулевой скорости, при этом наблюдается существенное различие между геометрией спиральной структуры и направлением векторов течений, а также разница положений особых точек в разных каналах (порядка км). Согласно гипотезам работы [5], такие поля течений могут проявляться благодаря влиянию ветрового дрейфа в верхнем слое океана. Выделение вихревой компоненты течения путем вычитания усредненного по всему кадру течения для каждого канала приводит к слиянию особых точек в точку типа центр, единую для всех каналов. Дальнейший анализ вихревой структуры проводится путем построения профилей скоростей течений, связанных с вихрем (радиальной и тангенциальной), вдоль четырех разрезов: от центра на восток, запад, юг и север. Полученные поля скорости близки в различных каналах и демонстрируют анизотропию вихревой структуры.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 18-77-10066, https://rscf.ru/project/18-77-10066/.