Лидарный метод регистрации внутренних волн в водах с двухслойной стратификацией гидрооптических характеристик

Разработан метод обработки сигналов судового радиометрического поляризационного лидара, позволивший надежно и достаточно точно определить положение границы между слоями, различающимися по гидрооптическим характеристикам. Метод основан на анализе временной зависимости спада эхо-сигнала и позволяет фиксировать изменение положения границы с течением времени в отсутствие слоя повышенного светорассеяния. Модельные расчеты лидарных эхо-сигналов для двухслойной стратификации гидрооптических характеристик показали наличие резких изменений временной зависимости затухания эхо-сигнала в районе границы между слоями, особенно ярко проявляющейся в кросс-поляризованной компоненте эхо-сигнала. Выполнен долговременный цикл лидарного зондирования толщи морской воды. Измерения проводились с борта судна в дрейфе. Сопутствующие измерения гидрофизических характеристик и показателя ослабления света морской водой зондом SBE25 с прозрачномером в районе проведения экспериментальных исследований показали наличие границы между слоями на глубинах 15—17 м, приуроченной к глубине залегания пикноклина. В результате обработки и анализа полученного массива данных лидарного зондирования зарегистрированы периодические изменения положения границы между слоями. Максимальная зарегистрированная амплитуда составляет 3 м, а средний период колебаний – 8.5 мин. Полученные значения характерны для внутренних волн, наблюдаемых в шельфовой зоне Черного моря.

1. Vasilkov A.P., Goldin Yu.A., Gureev B.A., Hoge F.E., Swift R.N., Wright C.W. Airborne polarized lidar detection of scattering layers in the ocean // Appl. Opt. 2001. V. 40. P. 4353—4364. doi: 10.1364/AO.40.004353

2. Goldin Y.A., Vasilev A.N., Lisovskiy A.S., Chernook V.I. Results of Barents Sea airborne lidar survey // Proc. SPIE. V. 6615, 66150E (Apr. 13, 2007).

3. Brian L. Collister, Richard C. Zimmerman, Victoria J. Hill, Charles I. Sukenik, William M. Balch. Polarized lidar and ocean particles: insights from a mesoscale coccolithophore bloom // Appl. Opt. 2020. V. 59. P. 4650—4662. doi: 10.1364/AO.389845

4. Peituo Xu et al. Design and validation of a shipborne multiple-field-of-view lidar for upper ocean remote sensing // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2020. V. 254. 107201. doi: 10.1016/j.jqsrt.2020.107201

5. Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Родионов М.А. Экспериментальная оценка возможностей лидара ПЛД-1 по регистрации гидрооптических неоднородностей в толще морской среды // Фундам. прикл. гидрофиз. 2017. Т. 10, № 2. С. 41—48. doi: 10.7868/S207366731702006X

6. Roddewig M.R., Pust N.J., Churnside J.H., Shaw J.A. Dual polarization airborne lidar for freshwater fisheries management and research // Opt. Eng. 2017. V. 56. 031221. doi: 10.1117/1.OE.56.3.031221

7. Churnside J.H., David A. Demer, Behzad Mahmoudi. A comparison of lidar and echosounder measurements of fish schools in the Gulf of Mexico // ICES J. Mar. Sci. 2003. V. 60(1). P. 147—154. doi: 10.1006/jmsc.2002.1327

8. Churnside J.H. et al. Airborne remote sensing of a biological hot spot in the southeastern Bering Sea // Remote Sens. 2011. V. 3, № 3. P. 621—637. doi: 10.3390/rs3030621

9. Churnside J.H., Marchbanks R.D. Subsurface plankton layers in the Arctic Ocean // Geophys. Res. Lett. 2015. V. 42. P. 4896—4902. doi: 10.1002/2015GL064503

10. Goldin Yu., Gureev B., Ventskut Yu. Shipboard polarized lidar for seawater column sounding // Proc. SPIE Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters. V. 6615. P. 66150H. (13 April 2007). doi: 10.1117/12.740466

11. Hoge F., Wright C., Krabill W., Buntzen R., Gilbert G., Swift R., Yungel J., Berry R. Airborne lidar detection of subsurface oceanic scattering layers // Appl. Opt. 1988. V. 27. P. 3969—3977. doi: 10.1364/AO.27.003969

12. Churnside J.H., Donaghay P.L. Thin scattering layers observed by airborne lidar // ICES J. Mar. Sci. 2009. V. 66. Р. 778—789. doi: 10.1093/icesjms/fsp029

13. Родионов М.А., Долина И.С., Левин И.М. Корреляции между вертикальными распределениями показателя ослабления света и плотности // Фундам. прикл. гидрофиз. 2012. Т. 5, № 4. С. 39—46.

14. Жегулин Г.В. Оценка статистической взаимосвязи гидрологических и гидрооптических характеристик по данным измерения короткопериодных внутренних волн в глубоководном районе Баренцева моря // Фундам. прикл. гидрофиз. 2019. Т. 12, № 1. С. 85—94. doi: 10.7868/S2073667319010106

15. Walker R.E., Fraser A.B., Mastracci L., Hochheimer B.F. Optical sounding for internal waves on the ocean thermocline // Oceans 82 Conference Record (Washington, DC: American Geophysical Union). 20—22 September 1982. P. 247—250.

16. Браво-Животовский Д.М., Долин Л.С., Савельев В.А. и др. Оптические методы диагностики океана. Лазерное дистанционное зондирование // Дистанционные методы изучения океана. Горький : ИПФ АН СССР, 1987. С. 84—125.

17. Churnside J.H., Ostrovsky L.A. Lidar observation of a strongly nonlinear internal wave in the Gulf of Alaska // Int. J. Remote Sens. 2005. V. 26, № 1. P. 167—177. doi: 10.1080/01431160410001735076

18. Долин Л.С., Долина И.С., Савельев В.А. Лидарный метод определения характеристик внутренних волн // Изв. РАН. Физ. атм. и океана. 2012. T. 48, № 4. C. 501—511.

19. Долина И.С., Долин Л.С. Моделирование лидарных изображений нелинейных внутренних волн в мелком море // Фундам. прикл. гидрофиз. 2017. Т. 10, № 1. С. 31—36. doi: 10.7868/S207366731701004X

20. Химченко Е.Е., Серебряный А.Н. Внутренние волны на Кавказском и Крымском шельфах Черного моря (по летне-осенним наблюдениям 2011—2016 гг.) // Океанологические исследования. 2018. Т. 46, № 2. С. 69—87. doi: 10.29006/1564-2291.JOR-2018.46(2).7

21. Серебряный А.Н., Иванов В.А. Исследования внутренних волн в Черном море с океанографической платформы МГИ // Фундам. прикл. гидрофиз. 2013. Т. 6, № 3. С. 34—45.

22. Зимин А.В., Свергун Е.И. Анализ характеристик и оценка ожидаемых высот внутренних волн на шельфе Крыма по данным экспедиции летом 2016 года // Труды Всероссийской научно-практической конференции «IV Феодосийские научные чтения», Санкт-Петербург, 11—12 сентября 2017. С. 230—234.

23. Лаврова О.Ю., Серебряный А.Н., Митягина М.И., Бочарова Т.Ю. Подспутниковые наблюдения мелкомасштабных гидродинамических процессов в северо-восточной части Черного моря // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10, № 4. С. 308—322.

24. Иванов В.А., Шульга Т.Я., Багаев А.В., Медведева А.В., Пластун Т.В., Вержевская Л.В., Свищева И.А. Внутренние волны на шельфе Черного моря в районе Гераклейского полуострова: моделирование и наблюдение // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 4. С. 322—340. doi: 10.22449/0233-7584-2019-4-322-340

25. Гольдин Ю.А., Родионов М.А., Гуреев Б.А., Глухов В.А. Морской поляризационный лидар ПЛД-1 // Труды XIII Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». СПб. : 2016. С. 215—217.

26. Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Гуреев Б.А., Родионов М.А. Локация погруженных объектов в водах низкой прозрачности с использованием лидара ПЛД-1 // Труды IX Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы оптики естественных вод (ONW’2017)», Санкт-Петербург, 20—22 сентября 2017. С. 127—131.

27. Lewis G.D., Jordan D.L., Roberts P.J. Backscattering target detection in a turbid medium by polarization discrimination // Appl. Opt. 1999. V. 38. P. 3937—3944. doi: 10.1364/AO.38.003937

28. Goldin Yu.A., Rogozkin D.B., Sheberstov S.V. Polarized Lidar Sounding of Stratified Seawater // Proceedings of IV International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters (ONW’2007)», Nizhny Novgorod, 2007. P. 175—178.

29. Левин И.М., Копелевич О.В. Корреляционные соотношения между первичными гидрооптическими характеристиками в диапазоне 550 нм // Океанология. 2007. Т. 47, № 3. С. 344—348.