Альберт Леонидович Бондаренко
Крупномасштабные течения
и долгопериодные волны
Мирового океана
Глава XVI
Методы измерения течений и их анализ
Приведены некоторые методы измерения течений и их
анализ. Показано какие из них обеспечивают получение репрезентативной
информации и какие – нет [Балакин, Бондаренко, 2005].
Течения морей и океанов обусловлены различными явлениями и имеют сложный характер. Их параметры (скорость и направление) меняются во времени в широком диапазоне периодов и длин. Измерение таких течений сопряжено с техническими трудностями и нередко осуществляются со значительными погрешностями, часто существен превышающими полезный сигнал. Это вызвано не столько погрешностями самих приборов, сколько методами измерения течений. Данные измерений обрабатываются и анализируются, по ним делаются научные выводы об исследуемых явлениях, естественно, в этом случае неверные. При этом зачастую о недостатках в измерении течений не знают не только учёные, которые их анализируют и делают выводы, но и те, кто измеряет и их обрабатывает. Учёный, изучающий явления, связанные с течениями, должен знать все особенности измерения течений и, исходя из этого, оценивать достоверность измеренных течений и научных выводов.
Обычно для измерения течений в фиксированных точках моря используются различные приборы с чувствительными к скорости потока воды (течениям) датчики, конструктивные особенности которых позволяют разделить приборы на два вида: векторные и компонентные. Векторные приборы имеют отдельно датчики скорости и направления течений (вертушки ВММ, типа Экмана- Мерца, БПВ, ДИСК, Поток, Вектор-2). Компонентные приборы имеют датчики компонент скорости течений и датчики положения корпуса прибора относительно магнитного меридиана (АЦИТТ) [Коронкевич, Тимец, 2000]. По измерениям компонент скорости течения и положения прибора рассчитываются на ЭВМ все необходимые параметры течений: модуль, направление проекции на параллель и меридиан.
В режиме нормальной работы приборов (типа вертушек ВММ, БПВ, Диск, Поток, АЦИТТ) измеряется средняя за интервал времени между отсчётами скорость течения и практически мгновенное его направление. Обычно интервал времени между измерениями (дискретность отсчёта) принимается равным 15 – 60 мин. Однако, в реальных условиях приборы регистрируют не только исследуемые течения, но и погрешности, вызываемые движением самого прибора, течениями ветровых волн и зыби и т.д. Часто влияние этих процессов бывает очень велико.
Основной объём информации о течениях морей и океанов на ранней стадии океанографических исследований был получен путём измерения течений приборами типа вертушек ВММ, помещаемых в море на тросе с борта стоящего на якоре судна. В своё время В.Б. Штокман и И.И. Ивановский [1937 г.], выполняя контролируемый эксперимент, пришли к выводу, что течения подобным образом измеряются достаточно точно в “спокойную” погоду, а при волнении на море и ветре - с большими погрешностями. Сколь они велики, можно судить по исправленной (первая величина) и измеренной (вторая величина) скорости течения: 2 – 17, 7 – 28, 10 – 8, 19 – 33, 16 – 36 см/с и т.д. Считается, что исправленная величина равна действительной. Измеренные и действительные скорости различались на порядок.
Исследования [Бондаренко, 1993, Бондаренко, Щевьёв, 1991], выполненные по измерениям течений в Каспийском и Балтийском морях, показывают, что стоящее на якоре судно совершает колебательные движения в горизонтальной плоскости с периодом 6 – 7 мин. Скорость движения судна нередко достигает 40 см/с (а в отдельных случаях и больше) даже при слабых ветрах, порядка 5 – 10 м/с, а само судно разворачивается на угол более 900. При этом, чем слабее течение, тем сильнее подвижки судна при одинаковых скоростях ветра. Движения судна создают потоки воды вдоль его корпуса. Таким образом, прибор зафиксирует все эти движения судна и воды, даже если скорости исследуемых течений будут равны нулю.
При наличии в море ветровых волн и зыби прибор дополнительно к этому будет регистрировать ещё и течения волн. Анализ контролируемых измерений течений позволяет сделать такие выводы. При незначительных движениях судна скорости течений, измеренных вертушкой, завышены на 10 – 20%. При значительных движениях, происходящих обычно при ветре со скоростями больше 10 м/с, показания вертушек по скорости завышены в несколько раз, а направление чаще всего совпадает с направлением ветра, но не течения. Последнее объясняется тем, что судно и обтекающий его поток, который и измеряется в основном вертушкой, направлен преимущественно по ветру. Таким образом, исследователями часто получалась информация, ложно демонстрирующая связь течений с ветром.
С 50 – 60-х гг. двадцатого столетия и до настоящего времени практику океанографических исследований были внедрены автономные измерители течений типа БПВ, Диск, Поток. Для их постановки в море обычно используются буйковые гидрологические станции, включающие буй, притапливаемый или плавающий на поверхности воды, якорь, трос, соединяющий буй с якорем. К тросу с помощью кронштейнов крепятся приборы.
Эти измерители течений и применяемые для их постановки в море устройства могут быть использованы для корректных измерений течений, период изменчивости которых существенно больше дискретности отсчётов.
Вместе с тем, в реальной ситуации в море присутствуют высокочастотные течения, создаваемые ветровыми волнами и зыбью, период которых существенно меньше дискретности отсчётов. С одной стороны они вызывают движения буя и, соответственно, через движения троса передаются движениям прибора, с другой стороны, воздействуют непосредственно на сами приборы. Эти движения могут перемещать приборы неким сложным образом так, что их показания будут существенно отличаться от параметров исследуемых течений. Приборы могут перемещаться вместе с буем и тросом, совершая вращательные и поступательные движения. В результате ими будет зарегистрирована величина, близкая к скорости движения приборов, а датчики направления течения зарегистрируют произвольные значения, так как моменты их срабатывания происходят при произвольном, “непредсказуемом” положении приборов. Движения буя через трос передаются приборам, установленным не только на верхних горизонтах, но и на значительной глубине. Согласно исследованиям [Бондаренко, 2001], в условиях океана, даже в рядовой ситуации, буй на поверхности часто совершает движения в горизонтальной плоскости со скоростями ~ 0,5 м/с.
Практически с такой же скоростью будет перемещаться прибор, установленный близко от буя, на верхних горизонтах. Трудно представить, как можно избавиться от этих недостатков измерения течений приборами типа БПВ. Диск, Поток, ибо они должны обладать свойством свободно вращаться в горизонтальной плоскости и менять положение, независимо от того, какими воздействиями оно вызвано.
При этом дискретность отсчётов будет существенно больше периодов движения приборов. Чтобы исключить подобные погрешности в измерениях буй притапливают до глубины , куда не проникают движения ветровых волн и зыби, что составляет для океана ~ 50 – 100 м. Но в этом случае теряется полезная информация о течениях зоны контакта воды с атмосферой.
В 70-х годах прошлого века отечественной промышленностью начали выпускаться компонентные приборы типа АЦИТТ [Коронкевич, Тимец, 2000]. При рекомендуемых методах измерения течений с буйковой станции прибор не исключает недостатки, перечисленных выше векторных приборов. Последнее обусловлено тем, что компонентные приборы, как и векторные, испытывая воздействия волн и движений буя, свершают вращательные движения вокруг троса, выдают осреднённую информацию о скорости течений волн и движений буя и мгновенную о положении прибора.
Указанные недостатки приборов и методов измерений течений были устранены [Бондаренко, Щевьёв, 2001]. Для этого использовались компонентные приборы, в данном случае АЦИТТы, закреплённые в потоке неподвижно. Ранее для подобных измерений течений в зоне обрушения волн автор данной работы использовал ультразвуковые компонентные измерители скорости течений. Так что успешный опыт применения компонентных приборов был. Преимущества с векторными приборами были автору очевидны, погрешности за счёт движения прибора в потоке автоматически исключлись.
При неподвижном приборе из измерений будут исключены и погрешности, создаваемые ветровыми волнами и зыбью. В этом случае показания датчика положения прибора будут постоянными, а движения воды, создаваемые ветровыми волнами и зыбью, на показаниях датчиков компонент скорости течения сказываться не будут.
Действительно, пусть на один из датчиков действует “постоянное” U и волновое знакопеременное течение U0 sin?t (U0 – амплитуда волнового течения, ?=2?/?, ? – период волны). Средняя скорость течения (измеренная прибором) за интервал времени Т будет
В реальных условиях период волн редко превышает 10-15 с, и поэтому можно считать, что при дискретности отсчета 15 – 60 мин второй член правой части уравнения будет мал по сравнению с первым, и тогда U ~ U. Погрешность измерения течения можно оценить, если задать величины: U, U0, ?, T, в частности, по методике предложенной авторами [Бондаренко, 1993, Бондаренко, Щевьёв, 1991].
Для установки в море компонентных приборов АЦИТТ могут использоваться следующие устройства (или способы), обеспечивающие неподвижность приборов: тренога, тренога с мачтой, буйковая гидрологическая станция для малых глубин, буйковая гидрологическая станция для средних глубин.
Тренога – устройство имеющее форму тетраэдра, изготавливаемая обычно из металлических труб или уголка. Сторона тетраэдра может быть равна 5 – 6 м. Внутри треноги на растяжках жестко в вертикальном положении крепятся приборы. Основание треноги загружается. С помощью такой треноги можно производить измерения течений на глубинах от одного метра и больше.
Для постановки приборов на глубинах до 10 – 15 м может быть использовано устройство в виде мачты, прикреплённой к треноге.
Буйковая гидрологическая станция для малых глубин (рис. 68а). Состоит из буя (1), реи (2) с прикреплённым к ней грузом (3), тросов (4), рей (5), к которым крепятся АЦИТТы (6). Трос (7), груз (8) и поплавок (9) являются составными частями системы, служащей для обнаружения станции и для её подъёма на борт судна. Практика использования таких станций показывает, что для устойчивого положения приборов в море отношение длины нижней реи (2) к длине тросов (4) должно быть таким: 1/5. Обычно на стандартных буйковых станциях приборы устанавливаются на горизонтах не выше 10 м. В данном случае они устанавливались на горизонте 5,5 м. При этом даже сильное волнение на море не сказывалось на качестве измерений.
Рис. 68а, б. Буйковые гидрологические станции для малых (а) и средних (б) глубин.
Иногда при постановке приборов в море или во время его работы выходит из строя компасное устройство (с АЦИТТами это бывало довольно часто). При используемых автором способах постановки приборов в море существует возможность и в этом случае измерять течения. Для этого в программу обработки измерений вводятся данные о положении приборов в море относительно стран света.
В качестве таковых могут быть использованы показания приборов до их выхода из строя во время работы в море или визуальные измерения положения прибора, производимые обычно аквалангистом, или же показания приборов, установленных на соседних горизонтах. Последнее возможно, если известна ориентация их относительно друг друга. Обычно мы все приборы ориентировали в одном направлении. При измерении течений нередко один из датчиков компонент скорости течения продолжительное время выдаёт нулевые или очень малые значения, порядка 0,3 – 0,5 см/с. Подобное случается, когда течение вдоль ротора отсутствует или датчик не работает, предположим, из-за попадания в его ротор каких-либо предметов. Правильность поступившей с прибора информации можно установить по показаниям датчиков компонент скорости течения, ориентации прибора, по известной информации о параметрах течений района исследований. Так, в частности, известно, что “нулевые” скорости течений могут наблюдаться в морях недолго (1 – 3 часа), в основном при изменении направления течений. Мы не наблюдали ни одного случая, когда за 15 мин (дискретность отсчёта) скорость течений резко менялась, скажем , от 20 см/с до нуля и наоборот. Поэтому если датчики фиксируют события, отличные от естественного хода процесса течений, то это должно вызвать у исследователя сомнение в правильности их работы.
Достоверность информации можно повысить, если изучить изменчивость и параметры течений до появления нулевых значений, или если сравнить их с показаниями приборов, расположенных на соседних горизонтах и станциях. Для удобства анализа работы приборов и их погрешностей, а также анализа исследуемого течения, полезно результаты измерений течений представить в виде векторных диаграмм. Как отмечалось, вектор не должен значительно меняться за непродолжительное время. Если во времени он сильно меняется, то это должно вызвать сомнение в надёжности таких измерений.
Буйковая гидрологическая станция для средних глубин, до ~ 300м (рис. 68б). Станция состоит из притапливаемого буя (1),контрольного буя (2), контрольного поплавка (3), грузов (4, 5, 6), тросов (7, 8, 9, 10), измерителей течений типа АЦИТТ (12), крепёжной муфты (13) с шарниром (11), жесткого стержня (14), вертлюга (15). АЦИТТы крепятся к тросу (7) с помощью крепёжных муфт с шарниром (13) и с шарниром (11). Муфта с шарниром и жёстким стержнем удерживает АЦИИТТ в вертикальном положении и не даёт ему вращаться.
Раскачивания прибора при отсутствии вращательных его движений, как отмечалось ранее, не оказывает никакого влияния на показания прибора, ибо они усредняются прибором, интегрируются.
Станция устанавливается в море с борта судна в такой последовательности. Опускается в море груз (4) на тросе (7), к которому крепятся приборы (12), а затем буй (1), который первоначально плавает на поверхности воды. Затем судно медленно отходит от буя и при этом вытравливается трос (8), опускается груз (6) и выставляется буёк (2). Судно отходит от буя (1) до тех пор, пока буй (1) не погрузится на заданную глубину, которая определяется по вертикальному положению троса (11), что и засвидетельствует о выходе прибора на заданный горизонт. Достоинством этой станции является не только обеспечение точных измерений течений, но и возможность выхода приборов на строго заданный горизонт, что невозможно осуществить при установки приборов на обычной станции с притапливаемым буем.
В ряде работ [Штокман, Ивановский, 1937, Бондаренко, Щевьёв, 1991] приведены результаты анализа точности измерений приборами АЦИТТ при неподвижном их состоянии в море. Оценки такие. При точности отдельных измерений 1- 2 см/с обеспечивается точность измерения крупномасштабных течений 0,4 см/с.
Кроме перечисленных достоинств компонентных приборов является также возможность измерения течений близко от поверхности моря. Так, при постановки приборов в море с гидрологической станции течения измерялись на горизонте 5 м, а при постановке с треноги и мачты – на горизонте 1м. В последнем случае была возможность измерять течения близко от поверхности воды, погрузив только нижнюю часть прибора с крылаткой. Такие измерения можно осуществлять при отсутствии на море ветровых волн.
Измеритель течений Вектор-2. Разработчиком этого прибора, впрочем, как и АЦИТТа, является Р.А.Балакин. Прибор вертушечного типа , векторный. Он предназначен для продолжительных автономных измерений течений в океанах и морях с обычной буйковой станции. Ранее отмечались недостатки существующих векторных приборов, одним из которых является свойство приборов измерять среднюю за некоторый интервал времени скорость течения и в тоже время мгновенно направление, что приводит к большим погрешностям в измерении течений и потере информации. Прибор Вектор – 2 исключает этот недостаток и достигается это за счёт того, что прибор имеет систему опроса датчиков скорости и направления течений с высокой частотой опроса, намного превышающей частоту пульсирующих движений буя и волн. По этим измерениям удаётся исключить помехи создаваемые движениями прибора за счёт перемещения троса и воздействия ветровых волн и в “чистом” виде зафиксировать параметры течений.
Прибор выпускается серийно. При постановке прибора в море рекомендуется в некоторых случаях всё же притапливать буй и выводить приборы на глубину ниже проникновения ветровых волн и зыби. Объясняется это тем, что не во всех случаях существует возможность полностью исключить из показаний приборов погрешности, создаваемые движением буя и воздействием волн на прибор. Это бывает в тех случаях, когда скорости течений меньше скоростей движения буя и течений ветровых волн. Учитывая это, мы рекомендуем для выполнения корректных измерений течений на малых и средних глубинах применять компонентные приборы типа АЦИТТ с использованием методов их постановки, предложенных нами ранее, а уже на больших глубинах – Вектор-2. При этом всё же необходимо оценить влияние движений буя и волновых течений на показания приборов с учётом частоты опроса датчиков и параметров течений, и уже после этого решать, притапливать буй или нет.
На следующих трех примерах будет продемонстрировано, как отражается погрешность в измерениях течений на результатах их исследований и представлениях о них.
Пример 1. Ранее отмечалось, что первые представления о течениях морей и океанов в значительной степени были сформированы на некорректных их измерениях, выполненных вертушками типа Экмана-Мерца, опущенными в воду на тросе с борта заякоренного судна. Реальные течения в этом случае сильно отличались от измеренных. Об этом уже говорилось. Как правило, показания прибора очень сильно отличались в своей последовательности по скорости и направлению течений. Вычисленный по ансамблю измерений за некоторый интервал времени средний вектор течений чаще всего совпадал с направлением ветра или приблизительно совпадал.
Почему так происходило, мы также обсуждали выше. Это дало основание исследователям сделать вывод: измеряемые течения вызваны ветром, о чём свидетельствует совпадение по направлению ветра и течений. Поэтому считалось, что наблюдаемые в бассейне течения являются ветровыми.
Большие различия в измерениях течений объяснялись изменчивостью ветра во времени и в пространстве, а также турбулентностью течений. Преимущественно на таких некорректных измерениях и была построена концепция доминирования в морях ветровых течений и были получены существенно завышенные величины связи ветра с течениями – ветровые коэффициенты.
В последние 10 – 15 лет при участии автора данной монографии были выполнены исследования течений Каспийского моря, базирующиеся на высокоточных их измерениях приборами АЦИТТ, закреплёнными в потоке неподвижно.
По этим измерениям было установлено доминирование в течениях моря течений долгопериодных волн, но не ветровых [Бондаренко, Щевьёв, 1991, Бондаренко, 1993, 2001]. В спектрах течений доминируют: в высокочастотной зоне - течения инерционных волн с периодом 17.5 ч (рис. 69б), в среднечастотной зоне - течения континентальных шельфовых волн (разновидность волн Россби) с периодом 140 ч, в низкочастотной зоне – пульсационная часть крупномасштабных течений с периодом 1000 ч (рис. 69в), энергия которой корреляционно связана с энергией шельфовых волн, следовательно, эти течения имеют волновое происхождение. По этим же измерениям было установлено, что рассчитанные ранее ветровые коэффициенты были на порядок завышены [Бондаренко, 1993].
Пример II. В шестидесятых годах прошлого столетия при участии А.Л.Бондаренко на Экваторе в Атлантическом океане производились измерения течений с заякоренного буя. После постановки станции возникло желание посмотреть, как ведёт себя измеритель течений марки БПВ на горизонте 25 м. Для этого мы, держась за буй, с поверхности воды с помощью маски наблюдали за поведением прибора.
Хорошо было видно, что прибор совершает движения вокруг троса с периодом, приблизительно равным периоду волн зыби. Было ясно, что такие измерения не отражают реальную картину течений. И действительно, когда начали обрабатывать измерения, то разброс показаний прибора течений по направлению был настолько большим, что не представлялось возможным достоверно определить направление течений.
Рис 69а, б, в, г, д. Энергетические спектры течений, полученные по измерениям течений: в Атлантическом океане на горизонте 500м (а) при притопленном буе, в Каспийском море на горизонте 5м при притопленном буе (б) и с жесткой платформы (в), Атлантическом океане на горизонте 100 м (г) и 100м (д) при плавающем на поверхности буе.
Тогда нашим руководством было решено: принять скорость течений, равной средней скорости по показаниям прибора за некоторый интервал времени, а направление принять таким, какое показали приборы на более низких горизонтах, 50 м, 100 м. Сейчас мы понимаем, что скорость реального течения была завышена, но неизвестно насколько, а направление, скорее всего, оказалось неверным. Так, по высокоточным измерениям течений в экваториальной зоне Тихого океана [Halpern, Knox, Luther, 1988] было установлено, что квазипостоянная часть поверхностного течения до горизонта 30 – 40 м направлена на запад, в то время как на более низких горизонтах – на восток.
Пример III. На рис. 69 а приведен энергетический спектр течений, построенный по их измерениям в западной части Атлантического океана на горизонте 5000 м с гидрологической станции при притопленном буе [Лаппо, 1979]. Продолжительность измерений - три года. Такие измерения течений следует считать корректными, т.к. на прибор и буй не оказывали влияние ветровые волны и зыбь. Это типичный спектр течений Мирового океана.
Если корректно измерять течения в океанах, то по этим измерениям (особенно на верхних горизонтах) должен получиться аналогичный спектр. В нём в виде энергетических максимумов выделяются течения инерционных и приливных волн в высокочастотной области и волн Россби в низкочастотной области течений.
Обращает на себя внимание, что пределами энергетических максимумов энергия течений практически равна нулю. Это даёт основание утверждать, что течения указанных волн существенно доминируют в течениях океанов, а течения иного происхождения крайне малы.
Спектр течений морей похож на спектр течений океанов, но в нём отсутствует приливный максимум. На доминирование течений длинных волн в переменных течениях океанов впервые (1979 г) обратил внимание известный отечественный океанолог С.С.Лаппо [Лаппо, 1979]. В качестве подтверждения своей мысли он и привёл этот спектр течений (рис. 69 а).
На рис.68 г, д приведены спектры течений, измеренных в аналогичных условиях Атлантического океана на горизонтах 1400 м (г) и 100 м (д) приборами, установленными на гидрологической станции с буем, плавающем на поверхности воды [Атлас ПОЛИМОДЕ.]. Такие измерения течений должны содержать, и содержат погрешности, обусловленные движениями буя и троса, а также непосредственными воздействиями зыби на приборы верхних горизонтов.
Эти спектры течений даже внешне отличаются от спектров (рис. 69 а, б, в). В правой части спектров заметно выделяются флуктуации, которые заполняют пространство между энергетическими максимумами, что свидетельствует о присутствии в измерениях случайных процессов, обусловленных движениями буя и троса. На нижнем горизонте 1400 м эти движения меньше, соответственно, меньше и флуктуации, на верхнем горизонте 100 м движения больше и флуктуации тоже больше.
В спектре течений нижнего горизонта чётко выделяются течения приливных и инерционных волн, а в спектре течений верхнего горизонта они отсутствуют и не потому, что отсутствуют в спектре течений океана, а потому, что их “заглушил” приборно-методический “шум”. Измеряются, фактически, некоторые движения буя и троса, ничего общего не имеющие с естественным ходом развития течений.
Энергия шумов, присутствующая в спектре справа, увеличивается с уменьшением периода, в то время как реальная энергия течений справа от инерционного максимума быстро уменьшается и становится нулевой (см. рис. 69 а, б, в). К сожалению, в работах, в которых приведены эти спектры, ничего не говорится о погрешностях измерений течений, и эти флуктуации в спектрах рассматриваются как турбулентные движения воды.
Итак. Течения океанов и морей зачастую измеряются с большими погрешностями, нередко превышающими сигнал от исследуемых течений. При этом полезный сигнал исследуемых течений искажается, а часто исчезает полностью, что обусловлено конструктивными особенностями приборов, методами и условиями их установки в море и состоянием его динамики. Исследования, выполненные по таким измерениям, неверно объясняют природу, параметры и свойства течений. Хотелось бы исследователей призвать к высочайшей осторожности при постановке измерений течений и их интерпретации.
Сведения об авторе.
Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.