Спутниковая дрифтерная технология для изучения океана и атмосферы

• Автор: Мотыжев, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 11.00.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Севастополь
• Количество страниц: 297 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

Постановка проблемы

Последние годы характеризуются увеличением интенсивности антропогенного воздейст,ия на среду, окружающую человека. Объясняется это, с одной стороны, ростом численности .аселения Земли, с другой истощением природных ресурсов, доступных на суше. В этих словиях Мировой океан рассматривается как один из следующих источников ресурсов на пути ехногенного развития человечества. Уже начались работы на континентальном шельфе, где сбывается большое количество газа и нефти. Использование морских буровых платформ, рокладка по морскому дну трубопроводов требуют тщательных предварительных, а затем и ксплуатационных исследований морских течений, дрейфа льдов, температуры воды и воздуа, ветра, атмосферного давления, морского волнения, короче полного комплекса гидромееорологического обеспечения.
Одновременно в океане развиваются другие направления, требующие полноценных знаий об окружающей среде. Так. рыболовство в открытом океане давно стало нормой. Интенивно растет морское судоходство, увеличивается тоннаж мирового флота, все чаще трансортируются опасные грузы. Например, морская перевалка нефти от берегов Кавказа к порам на восточном побережье Черного моря. Технология перевозки по этой линии, включая гидометеорологическое обеспечение, должна быть отработана безукоризненно, иначе трудно редставить последствия катастрофы танкера в замкнутом черноморском бассейне.
Последние годы чреваты интенсивными и масштабными природными потрясениями, наример, такими как засуха в одних местах и наводнения в других. Разрушающие последствия ставляют океанские тайфуны и циклоны. Остается не до конца познанной природа возникноэния поверхностных водных масс в океане с аномальной температурой и их роль во взаимоействии океанатмосфера. Прогнозы погоды зачастую страдают неточностью, а иногда и груыми ошибками, что приводит к большим материальным и финансовым издержкам. Сущестющие системы наземного гидрометеорологического обеспечения не отвечают требованиям элноценного освещения происходящих процессов. Еще в более сложном положении находит1 наблюдательная сеть за состоянием океана и приводной атмосферы.
Не отработан до конца механизм адекватной реакции на различные природные и технонные бедствия. Зачастую не хватает информации и времени, чтобы правильно реагировать и
принимать наиболее эффективные меры по устранению последствий или, что более важно, по предупреждению развития катастрофических и опасных ситуаций. Например, непозволительно много времени уходит на поиск кораблей и самолетов, потерпевших бедствие.
Уже в конце х годов стало ясно, что использование, так называемых, кораблей погоды дорого в эксплуатации и не дает нужного объема информации. В семидесятые годы была предпринята попытка глобального океанского мониторинга с помощью сети тяжелых якорных эуев, оснащенных датчиками метео и океанографических параметров. Информация на береовые центры передавалась по КВ и УКВ радиолиниям, а впоследствии через спутниковую вязь. Однако, очень скоро стало ясно, что наблюдательная сеть, построенная таким образом, несостоятельна как по финансовым, так и по техническим причинам. Слишком сложные полунались буи, и слишком дорого обходилась их эксплуатация.
В то же время в результате выполненных работ стало очевидным, что развитие глобальной наблюдательной сети возможно только с помощью спутниковой связи. Именно с якорных Зуев, оснащенных аппаратурой связи через ИСЗ, начала развиваться спутниковая технология или платформ сбора данных. Утвердившийся термин платформа лодразумеает автономный измерительный комплекс, оснащенный спутниковой связью и способный автоматически работать в течение длительного времени. Это может быть морской буй, наземная метеостанция, пост экологического контроля, аэростатный маркер или прибор для изучения иких животных в естественной среде обитания.
Такая спутниковая технология включает три сегмента, объединенных между собой в техшческом и идеологическом плане, сегмент пользователей, спутниковый сегмент и наземный. 1ервый связан с разработкой, изготовлением и применением различных морских, воздушных и аземных измерительных платформ. Второй включает группировку ИСЗ, которые собирают жформацию с платформ, и станции наземного обеспечения спутниковой группировки. Третий егмент предназначен для приема данных с ИСЗ, предварительной обработки информации и е распространения среди пользователей по наземным сетям общего пользования.
Количественное и качественное изменение в области использования измерительных шатформ со спутниковой связью произошло с появлением доплеровских систем связи КОСПАС и КУРС, использующих полярноорбитальные ИСЗ. Спутники КО С ПАС АТ, прозванные спутникамиспасателями стали информационной основой
побальной спасательной сети. Система стала стержнем международных программ о изучению океана и атмосферы. Основное достоинство этих систем состоит в том, что при становке на платформе единственного передатчика одновременно решаются две задачи пеедача данных и определение координат платформ. Именно с появлением системы тала интенсивно развиваться спутниковая дрифтерная технология, в которой в качестве перого сегмента используются платформы, свободно перемещающиеся в воде или воздухе.
В области исследования мезомасштабной и более крупной изменчивости в океане и атмофере на сегодня нет других контактных методов, сопоставимых по эффективности и результаивности со спутниковой дрифтерной технологией. Это подтверждается тем фактом, что за поледние лет с по гг. в рамках национальных и международных программ количетво различных дрейфующих платформ, оснащенных аппаратурой , выросло приблиительно со 0 платформ за год до , и наблюдается тенденция к дальнейшему росту.
Актуальность


Именно с использованием этих систем свяи автором получены основные научные и экспериментальные данные, представленные в натоящей диссертации. Первый эксперимент с дрифтером, оснащенным аппаратурой связи КОСПАС см. Черном море в г. В ходе пятисуточного автономного дрейфа была подтверждена результативность разработанной им методики измерения сдвигоых течений в деятельном слое моря. Использование системы связи КОСПАС позволило щовести буйковые эксперименты в Черном море и Атлантике, отработать методики совместных подспутниковых наблюдений с помощью контактных и бесконтактных средств и получить новые данные об изменчивости гидрофизических полей. Полученные материалы и их анализ Зудет представлен ниже. Чтобы понять, почему именно доплеровские системы связи стали основными для обеспечения работ в океане и атмосфере, проведем краткий анализ возможностей дрейфующих буев при изучении динамических процессов в океане. В равной степени этот подход может быть отнесен к изучению атмосферных процессов с помощью автоматических аэростатов. Доплеровзкий метод ограничен в своих возможностях по точности определения координат. Отсюда возникают ограничения по пространственновременному разрешению при изучении динамических процессов. Для решения задач прикладной и теоретической гидрофизики представляет важное значение исследование струйных течений, океанских и морских вихрей, рингов Гольфстрима, т. Значит, положение дрифтера на поверхности необходимо различать именно с такой пространственновременной дискретностью. Если расстояние 1р между смежными обсервациями превышает указанную величину, то можно оворить о том, что имеется перемещение буя, а не случайный оазброс в определении координат. Яш1рГ2 0,4. Рис. При средних скоростях переноса в океане Удр 0,2. Я обе 2. Для определения объема данных, передаваемых с одного дрейфующего буя, рассмотрим конкретную задачу измерение температуры поверхности океана ТПО. Исходными данными для расчета являются чувствительность измерений и динамический диапазон. При характерном размере 1р 0,5. ТПО может изменяться от 0,1 до 0,5 С. ТПО должен составлять 0,1 С. Поскольку в реальном океане ТПО может изменяться от минус 2 до С, то объем данных с датчика ТПО не превысит 9 бит. Рассматривая дрифтер в качестве носителя измерителя гидрометеорологических параметров, можно показать, что объем информационной части посылки от одного буя находится в пределах 0. При сжатии информации и снижении динамического диапазона например, когда заранее известно, что буи будут работать в экваториальной или полярной зонах количество датчиков может быть увеличено в 2. Проведенный краткий анализ позволяет выделить технические характеристики, которым должна удовлетворять система сбора и передачи данных на полярноорбитальных ИСЗ, предназначенная для обеспечения исследований широкого класса исследований в океане, атмосфере и на суше, и, в первую очередь, для установления мониторинга основных океанографических и гидрометеорологических характеристик. Как показано выше, для решения наиболее важных задач в этой области необходимо, чтобы погрешность в определении координат движущейся платформы не превышала 0,4. Эта величина обеспечивается допустимой погрешностью при определении координат доплеровским методом. Так, для системы связи КОСПАС, в которой используется этот метод, среднеквадратичное значение погрешности не превышает 3,5 км для неподвижных объектов. Поскольку дрейфующие буи имеют небольшую скорость перемещения, то их можно считать неподвижными, тогда их местоположение будет определяться с указанной ошибкой, которая не превышает допустимую. Скорость перемещения воздушных платформ может быть выше, а значит будет больше и ошибка. Однако, масштабы наблюдений здесь другие, поэтому принципиального значения увеличение ошибки в определении координат не имеет. В табл. ИСЗ, предназначенной для обеспечения работ в океане и атмосфере. Обозначенные характеристики свойственны доплеровским системам связи с небольшим объемом передаваемой информации, но с расширенным количеством платформ в зоне видимости ИСЗ.