СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННИХ ВОЛН, ВХОДЯЩИХ В СУММАРНОЕ ВОЛНОВОЕ ПОЛЕ Российский патент 2002 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения параметров внутренних волн, имеющих различную физическую природу и входящих в суммарное волновое поле данного района океана.

Известный "Способ исследования внутренних волн в слоях с изменяющимся градиентом плотности с борта дрейфующего судна" (RU 2149409 С1, Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, G 01 Р 5/00, 20.05.2000, всего 6 с.) позволяет осуществлять в одной точке по глубине запись изменчивости гидрологических параметров, т.е. осуществляется одна операция - запись информации об изменчивости гидрологических параметров на заранее заданном горизонте. Этот способ направлен на решение проблемы фиксации по глубине измерительного прибора на заданном горизонте и исключения влияния на него качки дрейфующего судна. Технология измерения разработана для исследования короткотриодных внутренних волн, возникающих в слоях с изменяющимся градиентом плотности. Этот способ позволяет решить задачу исследования короткотриодных внутренних волн в диапазоне от частоты Брента-Вяйсяля до десятков минут. Этот способ не может обеспечить регистрацию изменчивости гидрологических параметров, характеризующих спектр внутренних волн, входящих в суммарное волновое поле [1].

Известен "Способ измерения параметров верхнего квазиоднородного слоя моря с движущегося судна" (SU 1531045 А1, Ленинградский гидрометеорологический институт, G 01 W 1/00, 23.12.1989, всего 4 с.) [2]. В этом способе предусматривается измерение температуры и гидростатического давления на ходу судна в верхнем квазиоднородном слое. При этом датчик температуры представляет собой измерительную линию, содержащую интегральный преобразователь, например, в виде стандартного кабель-троса с двумя последовательно соединенными жилами. Датчик гидростатического давления располагается на нижнем конце термопреобразователя.

Этот способ предназначен для сбора информации о толщине и средней температуре верхнего квазиоднородного слоя в Мировом океане.

Целью изобретения является сокращение времени проведения эксперимента и повышение достоверности определения параметров внутренних волн, формирующих поле внутренних волн района океана, в котором проводятся исследования.

Для достижения указанной цели в способе определения параметров внутренних волн, включающем в себя регистрацию гидрологических параметров, в районе исследований производится рекогносцировочное измерение гидрологическим зондом; определяются глубины залегания сезонного термоклина; ставится автономная буйковая станция с измерителями течений на глубинах выше слоя сезонного термоклина в верхнем перемешанном слое, в слое сезонного термоклина и ниже слоя сезонного термоклина; производятся многократные измерения гидрологическим зондом от верхнего перемешанного слоя до нижней границы сезонного термоклина с записью информации при опускании и подъеме погружаемого устройства прибора. По полученным экспериментальным данным определяются параметры внутренних волн, формирующих суммарное волновое поле.

Из уровня техники не известны способы ни с такой совокупностью существенных признаков формулы, ни с ее отличительной частью. Это позволяет считать данный способ отвечающим условиям патентоспособности "новизна" и "изобретательский уровень".

Рекогносцировочное зондирование гидрологическим зондом позволяет определить глубину залегания сезонного термоклина, установить границы зондирования от верхнего перемешанного слоя до нижней границы сезонного термоклина, т.е. сократить время одного зондирования. Постановка буйковой станции с измерителями течений выше сезонного термоклина, в слое сезонного термоклина и ниже сезонного термоклина, а также многократные измерения гидрологическим зондом изменчивости гидрологических параметров существенно повышают достоверность измерения параметров суммарного волнового поля и позволяют определить параметры внутренних волн, входящих в его состав.

Таким образом, упомянутые отличия взаимосвязаны с поставленными целями и позволяют достичь положительного эффекта, т.е. определить параметры доминирующих и второстепенных внутренних волн, входящих в суммарное волновое поле, в районе проведения исследований.

Способ определения параметров внутренних волн, входящих в суммарное волновое поле, осуществляется следующим образом.

В районе исследования проводится рекогносцировочное зондирование гидрологическим зондом и определяется распределение гидрологических параметров по глубине. При этом определяются глубина залегания верхнего перемешанного слоя, глубина залегания сезонного слоя термоклина, его верхней и нижней границ. С учетом полученных результатов ставится автономная буйковая станция, на которой измерители течения и направления вектора течения располагаются: в верхнем перемешанном слое один измеритель; в слое сезонного термоклина несколько (3-5) измерителей и один измеритель ниже слоя сезонного термоклина. Далее проводятся многократные зондирования гидрологическим зондом слоя сезонного термоклина от его верхней границы с верхним перемешанным слоем до нижней границы сезонного термоклина.

В качестве примера приведем результаты наблюдений, выполненных автором в соответствии с предложенной методикой, в экваториальной зоне Индийского океана в течение 7 суток, где зарегистрирован спектр внутренних волн, входящих в суммарное волновое, поле до приливных (суточных) периодов включительно (см. чертеж). Общий размах вертикальных колебаний изолиний по глубине составляет 25-30 м. Верхний перемешанный слой располагается от поверхности до 40 м по глубине. Слой сезонного термоклина расположен на глубинах 40-200 м. Из общих флуктуаций изолиний по глубине производят выделение гармонических составляющих циклическим методом, выделяют параметры основного колебания путем минимизации среднеквадратического отклонения:

где U_i - флуктуации исходного ряда наблюдений,
t_i - момент времени измерения,
b₁ - амплитуда,
ω₁ - частота,
ϕ₁ - начальная фаза гармонических составляющих.

В j-м цикле вместо исходной реализации используется разность
U₁-b_j-1Sin(ω_j-1t_i-ϕ_j-1).
И определяются амплитуда, частота и начальная фаза. Этот метод получения гармонических составляющих квазиоптимален, а алгоритм (1) обладает отфильтровывающим свойством для случайных составляющих [3]. Для данного ряда наблюдений гармоническим анализом выявлены периоды основных колебаний, которые в среднем составляют 23,6 и 12,2 ч во всем диапазоне исследуемых глубин от 40 до 200 м. Величины вертикальных смещений в слоях сезонного термоклина достигают 12-16 м.

Для выяснения механизмов генерации рассмотрим основные элементы внутренних волн в районе исследования, исходя из системы уравнений [4]:


U_x + W_z = 0;
(2)
и граничных условий
ω = 0 при z = -H;
при z = 0; (3)
считая океан неограниченным в горизонтальных направлениях, а глубину его Н постоянной, где U, W - горизонтальная и вертикальная составляющие вектора скорости волнового возмущения; g - ускорение силы тяжести; Р, ρ - динамические компоненты давления и плотности; ξ - отклонение свободной поверхности океана от уровня z=0; средние распределения плотности и скорости течения жидкости по глубине в невозмущенном состоянии; индекс означает дифференцирование по соответствующей переменной; ось Z направлена вертикально вверх, а начало координат выбрано на невозмущенной поверхности океана, где удовлетворяется кинематическое условие

Найдем периодические по времени t и горизонтальной координате X решения вида
(ξ, U, W, ρ, P) = [E(z), U(z), W(z), R(z), П(z)]exp im (X-ct).

Для определения амплитуды вертикальной составляющей скорости получим из (2÷4) уравнение

С граничными условиями W=0 при z=-H
,
где . В дальнейшем полагаем, что U≠0.

Численное решение задачи (5) выполнялось путем сведения ее к задаче Коши и последующего применения метода Рунге-Кута. Расчеты проводились по программе [5] с выбором шага для периодов, равных 12,2 и 23,6 часа.

В таблице приведены значения длин волн (λ км) первых восьми мод (j = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8).

В верхней строчке приведены результаты расчетов без учета течения а в нижней - при , совпадающем с профилем мередионального течения. Видно, что наличие течения приводит к увеличению длин внутренних волн по сравнению со случаем U=0, т.е. течение является генератором внутренних волн, входящих в суммарное волновое поле. При этом очевидно, что наибольшее влияние течения проявляется в j=4, 6, 7, 8 модах, т.е. в исследуемом районе в суммарном волновом поле доминируют внутренние волны приливного периода τ = 12,2 и τ =23,6 часа и волны, генерируемые флуктуирующим течением, имеющим размерность 4, 6, 7, 8 мод по отношению к внутренним волнам приливного периода. Таким образом, определены параметры внутренних волн, входящих в суммарное волновое поле, в районе исследования.

Литература
1. Патент "Способ исследования внутренних волн в слоях с изменяющимся градиентом плотности с борта дрейфующего судна" (RU 2149409 С1, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, G 01 Р 5/00, 20.05.2000, всего 6 с.

2. Патент "Способ измерения параметров верхнего квазиоднородного слоя моря с движущегося судна" (SU 1531045 А1, Ленинградский гидрометеорологический институт. G 01 W 1/00, 23.12.1989, всего 4 с.).

3. Кушнир В.М., Андрющенко Е.Г. О выделении гармонических составляющих гидрометеорологических процессов на основе метода наименьших квадратов. // Морские гидрофизические исследования. Севастополь, 1976, 4(75), с.100-111.

4. Краус В. Внутренние волны. Л., Гидрометеоиздат, 1986, с.272.

5. Агеев М.И., Алик В.П., Галис Р.Н. и др. Библиотека алгоритмов. Вып. 1. М., Сов. радио, 1975, с.176.0

Предлагаемый способ относится к измерительной технике и методике. Использование: при исследованиях океана. Сущность: регистрируют гидрологические параметры. При этом в районе исследований производится рекогносцировочное измерение гидрологическим зондом, определяются глубины залегания слоя сезонного термоклина, ставится автономная буйковая станция с измерителями течений, находящимися выше, ниже и в слое обнаруженного сезонного термоклина, производятся многократные измерения гидрологическим зондом от верхнего, перемешанного, слоя до нижней границы слоя сезонного термоклина с записью информации при опускании и подъеме прибора. Технический результат: сокращение времени и повышение достоверности. 1 ил. 1 табл.

Способ определения параметров внутренних волн, входящих в суммарное волновое поле, заключающийся в регистрации гидрологических параметров, отличающийся тем, что в районе исследований производится рекогносцировочное измерение гидрологическим зондом, определяются глубины залегания слоя сезонного термоклина, ставится автономная буйковая станция с измерителями течения на глубинах выше слоя сезонного термоклина, в слое и ниже слоя сезонного термоклина, производятся многократные измерения гидрологическим зондом от верхнего перемешанного слоя до нижней границы слоя сезонного термоклина с записью информации при опускании и подъеме прибора, по полученным экспериментальным данным определяются параметры внутренних волн, формирующих суммарное волновое поле.