WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Лазарюк А.Ю., Пономарев В.И. Согласование вертикальных профилей CTD-зондирования с целью устранения ложной структуры солености в слое скачка температуры

Научная статья

 

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»


718           http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/066.pdf


Согласование вертикальных профилей CTD зондирования с целью устранения ложной структуры солености в слое скачка температуры

Лазарюк А.Ю., Пономарев В.И. fponomarev@poi.dvo.ru) Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН

Введение

Известно, что наибольшие инструментальные погрешности CTD зондирования в океане имеют место в слое скачка температуры. При опускании зонда температура (Т), как правило, измеряется с существенно большей инерционностью, чем электропроводность (С) морской воды. Поэтому при расчете профиля солености возникает ложная структура, имеющая вертикальный масштаб, соизмеримый с толщиной слоя скачка температуры. Величина ложных выбросов солености обусловлена динамическими погрешностями измерения температуры и электропроводности, которые зависят от конструкции датчиков, частоты опроса, от скорости опускания зонда и вертикального градиента температуры.

С середины 70-х годов проводились многочисленные работы с целью минимизации ложной структуры солености. Подробно исследовались конструкционные и термогидродинамические особенности датчиков CTD-зондов. Развивались методы обработки и согласования измеренных профилей Т и С. Это позволило создать высококачественные зондирующие устройства (Mark-IIIC, SBE-19 и др.), которые дают возможность измерять профили температуры и электропроводности с высоким разрешением и точностью. Однако, ложная структура солености в слое скачка температуры имеет место и при зондировании океана самыми совершенными на сегодняшний день приборами. Такая структура солености получила название «salinity spiking» (SS) или «псевдоструктура солености» (ПСС). В настоящей работе обсуждается теоретический аспект проблемы динамических погрешностей CTD-данных. Рассматриваются методы ослабления ПСС. Кроме того, предлагается новый метод устранения псевдоструктуры солености в CTD-данных - метод градиентной интерполяции, позволяющий в большинстве случаев полностью избавиться от ложных локальных экстремумов солености в слое скачка температуры.

1.     Инерционные эффекты датчиков CTD-зонда

При движении CTD-зонда в водной среде изменения температуры и электропроводности морской воды с глубиной или со временем регистрируются соответствующими датчиками с некоторой временной задержкой. Это происходит за счет инерционных эффектов, обусловленных, в основном, процессами тепло-массообмена в пограничных слоях датчиков температуры (ДТ) и электропроводности (ДЭ).

Если рассматривать термометр (чувствительный элемент ДТ) как стержень однородный по всем физическим параметрам, а именно, температуре Tm(x,y,z)=const, плотности р и удельной теплоемкости cv, то выражение для теплового потока на его границе с жидкостью (температура жидкости Tr(t)^const) можно записать в виде:

q(t)=a(Tr(t)-Tm(t)),                                                                                  (1)

где a - коэффициент так называемой внешней теплопроводности [16]. Термометр за единицу времени теряет или приобретает некоторое количество тепла, Q(t)=Sq(t), которое приведёт к изменению его температуры, определяемому формулой:


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»


719           http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/066.pdf


cpdXdl^t)

4          dt                                                                               W

где d - диаметр стержня, а 1 - его длина.

Полагая, что датчик температуры достаточно хорошо изолирован от массивного корпуса CTD-зонда, а также защитного экрана ДТ, из (1-2) получим уравнение:

Tr(t) = Tm(t) + <fe^U,                                                          (з)

dt где    it - параметр инерционности температуры, зависящий от переменного коэффициента

,      cdcv

внешней теплопроводности а:       сд =----- .

46

На   величину   коэффициента   а   оказывают   влияние   свойства   материала   термометра   и

характеристики прилегающего пограничного слоя (ПС) морской воды. Характеристики ПС в

свою очередь обусловлены ориентацией ДТ в потоке и скоростью его обтекания морской водой

V, т.е. a=a(V,(p), где ф - угол между направлением потока и осью ДТ [14].

Для случая измерения температуры в непрерывно стратифицированной жидкости из

уравнения (3) получим оценку величины динамической погрешности:

ДТ(0 = ф(У^)^*ф^-ф^^-ф2^,       (4)

dTjt)^   над_, афсгцо   2d2Tr(t)

dt ~Щdt Щdt dt ЩdV т.е. чем ниже и стабильней инерционность термометра, тем точнее и соответственно выше качество измерения. В CTD-зондах, как правило, используются платиновые термометры сопротивления (ПТС), обладающие инерционностью в пределах 0,5-Ю,05 с. Например, ПТС фирмы «Rosemont» (d;«0,4 мм), стандартный термочувствительный элемент CTD-зондов серии Магк-Ш (США), имеет тепловую инерционность Tt«0,17c при скорости зондирования V>0,5 м/с и поперечной ориентации ДТ относительно омывающего потока. Движение зонда со скоростью менее 0,5 м/с приводит к росту xt. Аналогичную характеристику инерционности имеет ПТС зонда «Исток-4» (СКБ МГИ НАНУ, Севастополь). На рис. 1 приведены графики зависимости параметра инерционности ПТС зонда «Исток-4» от скорости движения в водной среде при различных режимах ориентации, продольной - Tti(V) и поперечной - Tt2(V). Однако, из-за влияния массивного корпуса зонда «Исток-4» и защитного экрана суммарная для ДТ величина Tt возрастает в два раза и более, по сравнению с xt2, приведенным на рис. 1. Для зонда Магк-Ш инерционность ДТ при зондировании соответствует отмеченной исходной характеристике ПТС. При измерении электропроводности морской воды во время зондирования инерционные эффекты существенно меньше, чем при измерении температуры. Практически во всех применяемых типах ДЭ, электродных (контактных) и индукционных (бесконтактных), отсутствует электрическая инерционность чувствительного элемента. Тем не менее, при движении CTD-зонда в неоднородной жидкости из-за эффекта пограничного слоя, измеренная датчиком электропроводности величина Cm(t) будет отличаться от реальной Cr(t) на исследуемом горизонте:

Cr(t)«Cm(t) + <fe%^,                                                         (5)

dt

где инерционность тс пропорциональна средней толщине пограничного слоя h(V,(p).

Выделяются два режима потока жидкости, обтекающего датчик: ламинарный, когда

числа Рейнольдса меньше критического значения (R<RKp), и турбулентный при R>RKp. В первом

случае, h~l/"VV, во втором h~v*/V, где   v*-турбулентные пульсации потока   [13]. Для четырех

электродной ячейки проводимости NB (сечение 4x4 мм, длина 30 мм), которая устанавливается

на зондах серии Магк-Ш, RKp*4000. Это соответствует скорости зондирования V>1 м/с. При

увеличении  скорости движения зонда до   1,5  м/с  величина показателя инерционности тс,

понижается от 0,04 до 0,02 с [1], т.е. в несколько раз меньше х& датчика температуры, см. рис. 1.

На малых скоростях движения зонда, V<0,3 м/с, отмечается резкий   рост тс. Это обусловлено

ухудшением режима протекания исследуемой жидкости через ячейку проводимости. Для ДТ


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»


720           http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/066.pdf


при    поперечном    режиме    ориентации,    нелинейный   рост   параметра   инерционности    с уменьшением скорости движения имеет место при V<0,2   м/с (изменяется режим обтекания

ДТ).

х,(с)

0.07                              0.6                               1.1                                1.6     V, (м/сек)

Рис. 1. Графики зависимости инерционных характеристик основных датчиков CTD-зонда от скорости его движения в водной среде: tti(V) и та(У) для платинового термометра зонда ИСТОК, соответственно при продольном и поперечном режимах обтекания [14]; Ttk(V) для сложного температурного датчика («ПТС «Rosemont» + быстрореагирующий термистор») и tc(V) - для четырех электродной ячейки проводимости NB, CTD-зонд Mark-IIIB [1]

2.      Ложная структура солености

Соленость морской воды рассчитывается по измеренным значениям температуры, электропроводности и давления (Т, С и Р) в соответствии с «Практической Шкалой Солености -1978» (PSS-78) [4]. Эмпирические формулы PSS-78 позволяют с высокой точностью определять величину S в диапазоне от 2 до 42%о при изменении параметров Т от -2 до 30°С и Р до 1000 атм. Минимальные пространственно-временные интервалы репрезентативного представления данных CTD-зондирования составляют 1^-2 м или 1 -^2 с. Изменение Т и S на этих пространственно-временных масштабах, как правило, не превышают 2°С и 1%о. Для этих интервалов Т и S зависимость электропроводности от температуры и солености морской воды можно линеаризовать и представить следующей формулой:

Cr(t)^+pSr(t)^Tr(t)+sPr(t).                                                                      (6)


Для верхнего слоя океана Р=0^-20 атм, Т=4^-20°С и S=30-K34%o параметры Р и у изменяются в пределах 0,018^0,029, X от 0,03 до 0,35, a s^4*10-5. Соответственно величину солености Sm(t) можно рассчитать по измеренным CTD-зондом Pm(t), Tm(t) и Cm(t):

1

Sm(t)*-Cm(t)--Tm(t)--Pm(t)-

(7)

л

в             в             в             в

Для рассматриваемого верхнего двухсотметрового слоя океана отношение у/р=0,80-Ю,96 а s/p«l. Поэтому динамическая ошибка в определении солености AS(t)=Sr(t)-Sm(t), принимая во внимание (3) и (5), оценивается выражением:

rd,dTm(t)

вЩ      dt

AS(t)

(8)

1     dCm(t)

в   с     dt

В практических руководствах большинства CTD-зондов рекомендовано поддерживать скорость движения зонда в пределах 1м/с [8-10]. В этом случае xt»Tc при тс^0 [1-3], и псевдоструктура профиля Sm(t) обусловлена главным образом инерционностью ДТ:


AS(t)

гф dTm(t)

в*     dt

или с учетом пространственного распределения температуры:


(9)


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»


721           http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/066.pdf


^S(z)^-^\dT^z\(10)

в          dz

Если рассчитывать соленость по исходным показаниям платинового термометра и датчика электропроводности зонда Mark-Ill, эксплуатируемого при рекомендуемой скорости опускания зонда порядка 1м/с, то величина ложных выбросов на профиле Sm(t) пропорциональна градиенту температуры:

AS(zU-0,85*0J7dyz) ^-0Д5ёУ2) ,

dz                    dz

а для зондов с более высокой инерционностью ДТ, «ИСТОК-4»:

AS(z)» -0,85*0,4dVz) »-0,34dT?(z) .

dz                    dz

В слое скачка температуры (в сезоном термоклине) градиент температуры достигает 1-КЗ°С/м.

При этом на профиле рассчитанной солености возможны ложные выбросы 8S<0,3%o (зонд

Mark-Ill) и 8S<l%o (ИСТОК-4), которые могут превосходить характерные изменения солености

в слое скачка температуры.

3.   Рассогласованность измеренных температуры и электропроводности, её влияние на

псевдоструктуру солености

Перед изложением методов устранения ложной структуры солености рассмотрим простой модельный случай формирования этой структуры в слое скачка температуры при расчете солености по данным условного CTD-зондирования с использованием формул (3, 5). Предположим, что в слое скачка температуры и за его пределами соленость не изменяется с глубиной Sr(z)=const. Модельный профиль температуры Tr(z) сконструируем таким образом, чтобы производная от температуры по глубине была гладкой функцией и имела максимум в середине слоя скачка, что обычно и наблюдается в океане. Перепад температуры в слое скачка толщиной Az=0,5m принимается АТГ=0,5°С, см. рис. 2а. За пределами этого слоя скачка температура не изменяется с глубиной. Полагаем, что CTD-зонд, например зонд Mark-ШС, пересекает этот слой с постоянной скоростью V=1m/c. При этом можно легко переходить от зависимости T(z) к зависимости T(t), где t - время зондирования.

В данном случае обыкновенные дифференциальные уравнения (3) и (5) связывают заданные истинные значения температуры (Тг) и электропроводности (Сг), стоящие в левой части этих уравнений, с измеренными значения Тт и Ст, содержащими динамическую ошибку, обусловленную инерционностью соответствующих датчиков. Решение этих уравнений относительно измеренных профилей Тт и Ст имеет следующий вид [1]:

Tm (t) = exp(-f )Тт (t - д!) + {j - exp(-f )}ГГ (t),                                     (11)

Cm (t) = exp(- f )Cm (t - дг) + {l - exp(-f ))Cr (t),                                   (12)

где 8t - временной интервал опроса датчиков. Для зонда Mark-IIIC, 8t=0,04 с, инерционность ПТС «Rosemont» при V«1m/c - it=0,16c, а ячейки электропроводимости «NB» при той же скорости зондирования - тс=0,04с.

Поскольку в исходном предположении соленость не изменяется с глубиной, то электропроводность при данной толщине слоя зависит только от температуры. Поэтому, используя формулу (11), можно рассчитать профили температуры Тт и Тс по заданным истинной температуре Tr.(t) и параметрам инерционности датчиков. Профиль Tm(t) рассчитывается при it=0,16c, который соответствует ПТС датчика температуры, a Tc(t) при тс=0,04с, соответствующего датчику электропроводности. В нашем модельном примере температурный профиль Tc(t) пропорционален измеренной электропроводности. Поскольку соленость принимается постоянной, то Tc;«kCm.

Профили температуры Тт и Тс приведены на рис. 2а, где видно отличие между этими профилями, обусловленное разной инерционностью датчиков температуры и электропроводности. На рис. 26 приведены рассчитанные по этим профилям методом конечных


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»


722           http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/066.pdf


разностей профили градиентов температуры Т'г, Т'с и Т'т. Отличие между профилями T'c(z) и T'r(z) значительно меньше, чем отличие между профилями T'm(z) и T'r(z). По-существу измеряемый датчиком температуры профиль Тт имеет заниженный на 32% максимальный градиент в слое скачка и его смещение к нижней границе слоя скачка на 0,1 м. При этом толщина слоя скачка возросла в два раза по сравнению с исходным профилем температуры Тг.


Т (°С)


dT/dz

(°С/м)


(%о)

ЯЯ-

^Sr

V} о-

0/L.Z3 ¦

3?8-

1.02605

0.0                 0.5                 1.0         °-°

в/                                                 г/

Рис. 2. Профили температуры (а), градиента температуры (б), солености (в) и плотности (г), заданные (Tr(z), T'r(z) и Sr(z)) и полученные при моделировании измерительного процесса датчиками CTD-зонда Mark ШС (Tc(z), T'c(z) при Ti=0,04c, Cm(Tc); Tm(z), T'm(z) при т2=0,16с, а также Sm(Cm,Tm) и pm(Sm,Tm))

При расчете профиля солености Sm=(Cm,Tm) и плотности pm=p(Sm,Tm), появляются ложные минимумы солености и плотности, показанные на рис. 2в и 2г. В данном характерном случае ложный выброс солености составляет около 0,15%о, а плотности 0,1*10^г/см3. Аналогичные структурные расхождения при наличии температурной градиентной прослойки (ТГП) наблюдаются и в реальных CTD-данных, полученных как с помощью приборов серии Mark III, так и других CTD-зондов [1, 3, 5, 6, 11, 12, 14].

4.   Методы устранения рассогласованности температуры и электропроводности с целью подавления псевдоструктуры солености

Чтобы уменьшить ложную структуру солености необходимо устранить первопричину -инерционную рассогласованность основных датчиков CTD-зонда. Существуют различные подходы для решения этой проблемы, основанные на совершенствовании, как измерительных технических средств, так и методов обработки сигналов датчиков.

Из рассмотренного ранее модельного примера следует, что инерционный эффект каждого датчика подобен экспоненциальной фильтрации реальных профилей. Поэтому инерционную рассогласованность датчиков зонда можно уменьшить путем изменения показания температуры или электропроводности. При стандартной программной обработке исходных CTD-данных применяется или процедура сглаживания профиля электропроводности [1, 5, 11], или метод обострения градиента измеренной температуры [1, 7].


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»


723           http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/066.pdf


При сглаживании Cm(t) используется, как правило, экспоненциальный фильтр вида (12), который уменьшает эффект рассогласованности градиентов электропроводности и температуры в слое скачка. Параметр инерционности тс в формуле (12) заменяется параметром фильтрации xs, который удовлетворяет условию ic<Ts<Tt и подбирается путем минимизации абсолютной величины разности безразмерных градиентов температуры Т'т и электропроводности C'ms в слое скачка (критерий minA2, где A(t)=C'(t)-T'(t)). Амплитуды ложного выброса солености уменьшаются путем приближения C'ms к Т'т (или Т'с к Т'т на рис. 26). В этом случае толщина слоя скачка температуры оказывается завышенной по отношению к реальной.

При использовании метода обострения градиента температуры Tm(t) в слое скачка (второй способ) применяется формула:

Tm(t)-exp(-f)Tm(t-At)

(13)

Tmd(t)

1-ехр(-?)

где it>Td>Tc и id подбирается аналогично xs по критерию minA2. В данном случае ложная структура солености уменьшается путем приближения T'md к Cm (или Т'т к Т'с на рис. 26), а толщина слоя скачка температуры становится близкой к реальной (рис. 26). Однако, с помощью представленных способов, как правило, не удается полностью устранить ПСС. Для рассмотренного выше модельного примера CTD-зондирования на рассчитанных профилях солености Sd(Cm,Tmd) и Ss(Cms,Tm) (рис. За) ложные выбросы уменьшаются в несколько раз и оказываются минимальными при Td~Ts~0,134c. В результате такой обработки устраняется ложная инверсия плотности (рис. 2г). Вместо нее появляется ложная ступенька плотности на нижней границе слоя скачка температуры (рис.36).

S

Р

(г/см3)

1.02619

32.98

1.02614

0 0                  0 5                  1 0        0.0                0.5               1.0    z; (м)

а)                                                   б)

Рис. 3. Профили солености (а) и плотности (б), заданные в качестве истинных (Sr(z) и pr(z)) при моделировании измерительного процесса датчиками CTD-зонда Mark ШС; а также профили Sd(Cm,Tmd), Ss(Cms,Tm) и pd(Sd,Tmd), полученные после применения методов согласования измеренных (модельных) профилей Tm(z) и Cm(z)

Оптимальным способом согласования профилей Cm(t) и Tm(t), по-видимому, является их одновременное обострение с использованием формулы (13). При этом ложная структура на профиле солености исчезает, когда параметры обострения тождественно равны соответствующим параметрам инерционности: Tdc-Tc и Tdt-Tt.

При CTD измерениях в реальных условиях качки и дрейфа судна зонд опускается неравномерно, динамика обтекания зонда нестационарна. Соответственно, динамические инерционные характеристики датчиков и их отношение изменяются в процессе зондирования. Кроме того, в показаниях датчиков присутствует случайный шум, приводящий к дополнительным искажениям измеряемых величин. При использовании метода обострения градиента температуры такие случайные искажения, как правило, увеличиваются по сравнению с исходными возмущениями.

Поэтому в некоторых зондах применяется метод комбинирования сигналов различных датчиков. В зондах Mark-IIIB этот метод реализован в электронной схеме блока измерения температуры [8], а в зондах Mark-IIIC -   при обработке исходных CTD-данных [9]. В обоих


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»


724           http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/066.pdf


отмеченных случаях конечный температурный профиль Tk(t) получается путем наложения показаний двух датчиков температуры: высокоточного платинового термометра Тт, средняя инерционность которого it~0,17c, и менее точного, но малоинерционного термистора Tf, (при V>0,2 м/с, Tf«Tt и Tf*xc):

Tk(t)=Tm(t)+Tf(t)-Tfs(t),                                                                                (14)

где Tfs - сглаженный экспоненциальным фильтром (12) сигнал Tf при Ts~Tt. Инерционная характеристика Ttk полученного комбинированного температурного сигнала (для зонд Mark-ШВ) значительно ниже, чем у платинового термометра Tt2 (рис. 1).

В работе [6] предложен ТСС-метод (Temperature-Conductivity Combined Method) комбинирования сигналов. Этот метод приводит к обострению профиля температуры путем введения поправки, которая учитывает высокочастотную компоненту профиля измеренной электропроводности при условии малости градиента солености:

Tn(t>r|*Cm(t) + <Tm(t+dt)-r|*Cm(t)>|t median,                                       (15)

где dt*Tt, a r|(T,S) - СТ-коэффициент, который характеризуется соотношением: n^dT/dC, т.е. при SS/SP«1 r|«sl/y (6) и определяется по эмпирической формуле PSS-78 [4]. В формуле (15) процедура < >|tmedian - означает осреднение скользящим медианным фильтром.

Вместе с тем, при неравномерном движении зонда и наличии вертикального градиента солености наряду с градиентом температуры, перечисленные комбинированные методы так же, как и классические методы, не позволяют полностью устранить ложную структуру солености. При обработке данных CTD-зондирований в Японском море, полученных с помощью зонда Mark-IIIC в 30-ом рейсе НИС «Проф. Гагаринский» в ноябре 2000 г, выявлены случаи, в которых псевдоструктура солености не может быть устранена отмеченными выше методами. В качестве примера рассмотрим фрагмент вертикальных профилей на десятисекундном интервале, в течение которого зонд неравномерно опускается на тринадцать метров при относительно благоприятных условиях, а именно при слабой качке и отсутствии реверсивных движений прибора. На рис. 4 приведены профили скорости погружения прибора (а), электропроводности Ст и температуры по данным платинового термометра Тт (б), градиента электропроводности и температуры (в), а также солености Sm (г) и условной плотности Dm (е), которые рассчитаны по измеренным Ст и Тт. Профили солености Ss и Ssv, приведенные на рис. 4г, получены после обработки электропроводности методом сглаживания (12) при постоянном параметре фильтрации xs=0,14c и при переменном параметре tsv=0, 15/V ' соответственно. Результат применения комбинированных методов представлен на рис. 4д. Профиль солености St рассчитан с использованием профиля температуры, обработанного ТСС-методом (15), а профиль Sk рассчитан с использованием профиля температуры, полученного в результате обработки исходных профилей температуры Тт и Tf с помощью программ, прилагаемых к зонду Mark-IIIC [9]. Видно, что профиль Sk по-прежнему содержит значительные по величине ложные выбросы солености в слоях 188-190м и 196-199м, имеющие противоположный знак по отношению к первоначальной ложной аномалии солености. Вместе с тем, псевдоструктура солености в диапазоне 192-193м уменьшилась по величине в 5 раз (рис. 4д). На профиле St, полученном ТСС методом, полностью устранена первая (левая на рис. 4д) аномалия солености и значительно уменьшены (примерно в четыре раза) последующие аномалии солености по сравнению с исходными аномалиями на профиле Sm (рис. 4г).

Если приведенными выше методами не удается устранить псевдоструктуру солености и сохраняются ложные инверсии плотности, предлагается использовать следующий комбинированный метод Градиентной Интерполяции (ГИ). Этот метод основан на подобии градиентных структур электропроводности, солености и температуры. В данном случае новый профиль температуры Tg в слое скачка рассчитывается с учетом градиента электропроводности по формуле:


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»


725           http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/066.pdf


(16)

T(t).T(t-At) + 3ci^#-V(t)5C^^

dt                   дР

где te]to,tn[, 8t - временной интервал опроса датчиков, а г\с - локальный СТ-коэффициент градиентной структуры, рассчитанный с учетом влияния изменения давления на электропроводность:

з   _     ДТ     _                    Tm(tn)-Tm(t0)

0    ДС-еДР   {Cm(tn)-Cm(t0)}-e{P(tn)-P(t0)}                                        l   ;

Tm(to), Cm(to), P(to) и Tm(tn), Cm(tn), P(tn) - значения температуры, электропроводности и давления в двух реперных точках, расположенных выше и ниже   границ   слоя   скачка температуры.

197.4             200.3     z, (м)

____ i_________ i________ i_________

187.3             190.1             192.6             195.2

у                    i-------- 1------- 1------- 1------- 1------- 1------- 1---

(м/сек)

1.4

0.6

т

ее;

2.8

2.3

1.8

4

2

0

S

34.01

(%о)

33.99

33.97

33.95

34.02

34.00

33.98

D

27.18

27.13

С

0.715

-- 0.705     б/

0.695

10     t, (сек)

в/

г/

10    t, (сек)

Д/

е/

27.08

а/

.Cm

?*^=-------------------------------------

Tm

--------- 1------- 1------- 1------- 1------- 1--------- 1

1----- 1----- 1----- 1   ^1            1

0                 2                 4                 6                 8                 10     t,   (сек)

Рис. 4. Профили скорости опускания прибора (а), удельной электропроводности Cm(t) и температуры Tm(t) - платиновый термометр (б), на интервале глубин 187-201 м. А также профили градиента электропроводности и температуры (в), солености Sm, Ss, Ssv, St, SK и Sg (г, д) и условной плотности Dm, Dk и Dg (е). Станция 47. Японское море. Зонда Mark-QIC. 30-й рейс НИС «Проф. Гагаринский», ноябрь 2000 г


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»


726           http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/066.pdf


Реперные точки выбираются в относительно однородных по вертикали прослойках, отстоящих на 3it от границ слоя скачка на временной оси, где динамическая ошибка измеряемых величин минимальна. Зависимость электропроводности от давления, а именно, дС/д? в формуле (16) и еДР в формуле (17), необходимо учитывать, когда расстояние между двумя реперными точками превышает два метра.

Принимая во внимание формулу для электропроводности (7), выражение (17) можно представить в следующем виде:

ДТт(1)

(18)

1+

ДТ,

т(о)

вда

гДТ

В тех случаях, когда реперные точки   располагаются в квазиоднородных слоях (ATm«ATr), и

в HS

относительный градиент солености в прослойке мал:------ « 1, тогда nc«l/y, a ATm(t)sATm(C).

г ДТ

В результате применения метода ГИ полностью устраняются инверсии плотности и локальные экстремумы солености на масштабах 1-Зм в слое скачка температуры (см. профили Sg(Cm,Tg) HDg(Tg,Sg) рис.4ди4е).

Этот метод оказывается наиболее эффективным при обработке CTD-профилей, измеренных зондами со слабым разрешением и низкой точностью, например, зондом STD -1000 («Union Engineering Ltd.», Япония), имеющим Az=1m и 8Т«0,05°С соответственно [10]. На рис. 5 приведены исходные профили температуры Tm(z) и удельной электропроводности Cm(z), измеренные в заливе Петра Великого (Японское море) 20 октября 1990 г на станции № 51 (НИС «Базальт»). Отмечается характерное для рассогласованных датчиков, обладающих разной инерционностью, смещение профилей температуры и электропроводности в слое скачка.


нормированные градиенты

т,°с


0

20

40

0

20

40      z, (м)

а/                                и                  "и      б/

Рис. 5. Профили: (а) - температуры Tm(z) и удельной электропроводности Cm(z); (б) -градиентов температуры Tm'(z) и электропроводности Cm'(z), нормированных на значение среднего градиента в слое от поверхности до дна. Зонд STD-1000. Станции № 51


S    34

(%о)

33

32


т---- 1--- 1--- 1--- 1i----- 1--- 1--- 1--- г


40

0

20

0                  20                 40      z,(m)

а)                                                          б)

Рис.    6.    Профили   солености   (а)   и   условной   плотности   (б):    Sm(z),   Dm(z),

рассчитанные по исходным значениям температуры и электропроводности (Тт, Ст), а также

Sd(z),   Sg(z)   и   Dg(z),   рассчитанные   после   обработки   профиля   температуры   методами

обострения (13) и градиентной интерполяции (16). Станции № 51


Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»


727           http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/066.pdf


На рис. 6 показаны профили солености (а) и плотности (б), рассчитанные по измеренным значениям Tm(z) и Cm(z), и полученные в результате применения метода градиентной интерполяции (16). Видно, что после обработки измеренного профиля температуры отмеченным методом полностью устраняется ложный выброс солености, и слой скачка плотности смещается вверх на три метра, занимая положение, соответствующее показаниям эхолота. На этом же рис. 6а представлен профиль Sd(z) полученный после обработки профиля температуры Tm(z) методом обострения (13) при V*id~0,54 м.

Заключение

При подробном изучении механизма возникновения ложной структуры солености за счет динамической рассогласованности инерционных характеристик датчиков CTD-зонда показано, что ошибка в определении солености в основном зависит от точности измерения температурного профиля, на которую влияют: инерционность датчика, скорость опускания зонда и градиент температуры. Решение задачи согласования CTD-данных требует индивидуального анализа как измеренных профилей температуры и электропроводности, так и условий измерения в каждом конкретном случае и для каждого типа CTD-зонда.

Предлагаемые различными авторами методы подавления ложной структуры солености основаны на устранении рассогласованности измеренных параметров. Рассмотрены наиболее распространенные методы согласования профилей температуры и электропроводности. Показаны отличия результатов применения этих методов на примере обработки CTD-данных, полученных с помощью зонда Mark ШС. Эффективная обработка CTD-данных зонда Mark обеспечивается его уникальными точностными характеристиками, в том числе, высоким разрешением по времени - 8t=0,03-0,04c, что позволяет получать оценку динамических характеристик датчиков на разных интервалах зондирования. В результате применения методов сглаживания профиля электропроводности или обострения градиента температуры удается уменьшить амплитуду ложных выбросов в 10-20 раз. Подбор величин соответствующих параметров сглаживания или обострения осуществляется путем минимизации рассогласованности нормированных градиентов температуры и электропроводности. Наиболее эффективным методом устранения ложной структуры солености при использовании зонда Mark III является комбинированный ТСС-метод, предложенный Takanori Iwao (2001). В случае, когда условия измерения не позволяют выдержать рекомендуемую постоянную скорость опускания зонда (например, при сильной качке), а также при использовании зондов с грубым разрешением рекомендуется использовать предложенный в работе метод градиентной интерполяции.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 04-05-64233.

Литература

  1. Giles А.В., McDougall TJ. Two methods for the reduction of salinity spiking of CTD's // Deep - Sea Res. 1986. V.33, N 9. P.1253-1274.
  2. Gregg M.C. Dynamic response calibration of the Neil Brown conductivity cell // J. Phys. Oceanogr. 1982. V.12, N 7. P.720-742.
  3. FozdarF.M., Parker G.J., ImbergerJ. Matching temperature and conductivity sensor response characteristics // J. Phys. Oceanogr. 1985. V.15, N 11. P.1557-1569.
  4. Fofonoff N.P., Millard R.C. Algorithms for computation of fundamental properties of seawater // UNESCO technical papers in marine sciences. UNESCO. 1983. V.44. 53 p.
  5. OchoaJ. A practical determination of CTD platinum resistance thermometer response time, and its use to correct salinity bias and spikes // Deep - Sea Res. 1989. V.36, N 1 A. P. 139-148.
  6. Takanori Iwao. A new method for CTD data processing - Temperature-Conductivity Combined Method // Oceanographic Society of Japan. 2001. V. 10, No. 4. P.309-321.
  7. UNESCO technical papers in marine science. UNESCO. 1988. V.54. 86 p.

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»


728           http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/066.pdf


    • MARK - ПШ conductivity, temperature, depth profiler underwater unit. 1982, V.MANUAL 00101.
    • MARK-IIIC/WOCE CTD conductivity, temperature, depth profiler underwater unit. Operation manual. 1994. Part № 00201.
    • Memory STD model STD-1000. Operation and maintenance manual. Union Engeniring Ltd. 1985. Serial №AST-3005.
    • Лаанеметс Я.Я.   Характеристики измерительной аппаратуры. Первичная обработка данных // Материалы океанологических исследований. Выпуск 1. Формы тонкой термохалинной структуры океана: Каталог. Москва. 1987 г. С. 29-35.
    • Лазарюк А.Ю., Пономарев В.В., Салюк А.Н..   Согласование профилей температуры и электропроводности, измеренных с помощью CTD-зондов типа MARK-III. Устранение ложной структуры солености // Препринт. Владивосток: ТОП ДВО РАН, 2002. 34 с.
    • Ландау Л.Д., Лившиц Е.М.. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т. Т VI. Гидродинамика. - 3 изд.// Москва. Наука. 1986. 736 с.
    • Парамонов А.Н., Кушнир В.М., Забурдаев В.И. Современные методы и средства измерения гидрологических параметров океана // Киев. Наукова думка. 1979. 248 с.
    • Смирнов Г.В., Лавров С.А., Рабинович М.Е., Светличный А.С. Первичные измерительные преобразователи океанографических параметров // Владивосток. Изд-во ДВГУ. 1990. 296 с.
    • Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т П. Термодинамика и молекулярная физика. - 2 изд.//Москва. Наука. 1979. 552 с.
     



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.