Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №73 (сентябрь) 2019
Разделы: Науки о Земле
Размещена 04.09.2019. Последняя правка: 05.09.2019.
Просмотров - 193

Метрологические особенности CTD-зондирования термической структуры моря при «гладком» термоклине

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Аннотация:
Анализируются искажения, вносимые качкой судна при CTD-зондировании термической структуры как за счет «скольжения» вверх-вниз в зоне «гладкого» термоклина, так и за счет вариабельности постоянной времени датчика температуры при изменениях скорости обтекания. Приводятся примеры формирования квазипериодической структуры в термоклине, которая может оказываться «ложной».


Abstract:
Analyzed the distortions that occur rolling of the ship when the CTD-probing of the thermal structure as due to "sliding" up and down in the zone "smooth" the thermocline and due to the variability of the time constant of the temperature sensor changes the speed of flow. Examples of the formation of a quasi-periodic structure in the thermocline, which may be "false", are given.


Ключевые слова:
термоклин; квазипериодическая структура; CTD-зондирование; качка судна; искажения; ложная структура

Keywords:
thermocline; quasi-periodic structure; a CTD-probe; pitching of the vessel; distortions; false structure


УДК 551.46.0 

Введение. В предыдущей работе [1] рассматривались искажения тонкой термической структуры, вносимые качкой исследовательского судна, при искусственной электронной коррекции динамических свойство датчиков температуры CTD-зондов. Анализировались особенности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и было показано, что при «перекоррекции» значения АЧХ существенно превышают единицу, особенно в области периодов типичных ветровых волн. Это формирует условия квазирезонанса.

В более ранней работе автора [2] рассматривались искажения, вносимые качкой при «гладком» термоклине и малоинерционных датчиках без коррекции. Однако при этом не учитывались изменения постоянной времени датчика, возникающие из-за вариаций скорости перемещения зонда.

Ниже анализируются метрологические особенности регистрации возможных температурных аномалий в условно «гладком» термоклине с учетом всех факторов.

Формирование ложных термических аномалий в «гладком» термоклине из-за вариаций скорости зондирования. В работе  [2] рассматривается вариант, при котором распределение температуры по глубине определяется по отсчетам времени при скорости зондирования, считающейся постоянной. Такой вариант весьма распространен, поскольку определения фактической глубины погружения зонда по данным канала измерений гидростатического давления малоэффективны из-за большой погрешности применяемых датчиков давления – обычно не лучше ±0,25 % от предельной рабочей глубины, например 1000 метров. Тогда получается, что при зондировании в условиях ветрового волнения с высотой волн порядка 3 метров CTD-зонд при подъеме точки подвеса как бы «скользит» по термоклину вверх, формируя ложные термические аномалии (рис.1). Перепад глубин такой аномалии пропорционален произведению скорости зондирования на период качки.

 

1.png 

 

Рисунок.1 – Эффект появления ложной информации в  результате

качки судна при зондировании «гладкого» термоклина. Обозначения:

Тис – истинный профиль, Тпр – зарегистрированный профиль,

z0 – начало «гладкого» участка термоклина.

 

Такой эффект, на первый взгляд, можно устранить, исключая «выбросы»  Тпр(z), следующие с периодичностью волнения, однако в реальности периоды качки не совпадают с периодами волн во-первых, из-за того, что скорость дрейфа судна намного меньше скорости распространения волн, а во-вторых, что еще более важно, из-за нерегулярности и трехмерности ветрового волнения (обычно длина гребня соответствует 2-3 длинам волн).

В работе [2] динамические свойства датчика температуры зонда рассматриваются как система 1-го порядка:

 

1.png,                                                           (1)

 где  Tпр –  текущее измеренное значение температуры;

  Tис— действительное значение температуры воды; 

 τe  – постоянная времени  датчика температуры зонда;

 z –  глубина.

Результирующая скорость зонда  Vр при качке оценивается, как

 

2.png,                                                                 (2)

 где     ωk= 2π/τk – круговая частота качки;   

           τk –период качки;

           Vз –  задаваемая скорость зондирования.

Поскольку  3.png , то изменения глубины погружения зонда во времени на каком-либо характерном участке составят:

                                     

 3.png(3)

где   τ0 – момент времени прохождения начала участка;

         z0 —  глубина начала участка;

         τ´=τ – τ0 .

 При линейном изменении температуры с глубиной:

                                                                                      4.png                                                                                 (4)

 решение уравнения (1) получается в виде:

 5.png

                                            (5)

Таким образом, на запаздывающую линейную изменчивость (-α0Vзτe) здесь накладывается осциллирующая изменчивость с модулем амплитудного значения:

 

 6.png                                                                      (6)

 

В работе [2] рекомендовано «обрезать» все зарегистрированные аномальные участки, в пределах ±Ak и учитывать при анализе структуры термоклина лишь те, которые превышают это значение.

Возможность формирования ложных аномалий термической структуры практически не учитывается в современных исследованиях.

 Экспериментальные данные. На рис.2 приведен пример участка вертикального профиля, заимствованный из монографии [4]. Здесь показаны аномалии в термоклине, для которых характерна квазипериодическая структура. В реальность этих аномалий можно верить из-за больших глубин. При оценках влияния качки на таких глубинах необходимо учитывать растяжение троса (кабель-троса) и динамические свойства всей системы подвески зонда. Такая задача пока не решена.

 

 

 2.png

Рисунок 2 – Квазипериодическая структура аномалий в

термоклине и галоклине. Из работы  [4].

 Однако подобные квазипериодические слоистые структуры наблюдаются также в верхнем термоклине (рис.3). На выделенном фрагменте видны эффекты запаздывания показаний зонда в режиме спуска 1 и при подъеме 2. Квазипериодическая структура в термоклине в верхнем слое (до 100 м) сразу вызывает сомнения, тем более, что она никак не выражена на вертикальном профиле электрической проводимости 3, как в предыдущем примере, и проявляется преимущественно при спуске зонда (кривая 1).

Приведенный фрагмент показателен еще тем, что в зонде FSI использован нормальный датчик температуры без каких-либо коррекций и других электронных «наворотов», из-за этого различны профили при «спуске» и «подъеме». Такое различие в самом море невозможно даже с учетом дрейфа судна за время производства работ.

 

 

 

 3.png

 

Рисунок 3 – Фрагмент регистрации термической структуры

в верхнем слое моря. Из работы [3]. CTD-зонд  FSI фирмы  Falmouth Scientific Inc., США .
Данные отображены в рекомендованной программе FSIPost [5].

 Выявление реальных аномалий структуры на фоне формирующейся из-за качки судна ложной квазипериодической структуры становится проблемой. Особенно из-за вариабельности постоянной времени датчика температуры, не рассматривавшейся ранее.

 Особенности формирования ложных аномалий при учете вариабельности постоянной времени датчика температуры зонда.

 «Паспортное» значение постоянной времени может быть определено как в квазистатическом режиме (скачкообразное изменение температуры), так и при рекомендованной скорости зондирования Vз (например, в системе с потоком воды с переменной температурой из смесителя). Во втором варианте практически определяется амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) датчика, поскольку имеется возможность задавать периодичность изменений температуры.

В соответствии с (5) влияние вариабельности на «затягивание» линейной изменчивости показаний зонда (второй член решения) малосущественно, поскольку при Vз↓ значение τe↑, что приводит к некоторой самокомпенсации.

Однако при этом в выражении (5) изменяется вариативный член, характеризующий «ложные» прослойки

 

7.png                                              (7)

 

Знак при Δτ зависит от режима определений постоянной времени. При квазистатическом режиме Δτ применяется со знаком минус,  при втором режиме – с плюсом.

Расчеты по этому выражению при различных соотношениях между τe и  τk приведены на рис. 4 в трехмерном изображении.

4.png 
 
Рисунок 4 –  Изменения коэффициента Kx при различных
 условиях зондирования. Постоянная времени датчика указана
для второго режима при рекомендованной скорости 1 м/с.
Изменения постоянной времени заданы как 0,5 τe..

 Уместен также интерес к таким искажениям с учетом того, что амплитуда вариаций скорости перемещений точки подвеса зависит от периода качки при  одинаковой высоте волн. Действительно, например, при килевой качке и зондировании с кормы судна:

 

8.png,                                                                        (8)

где  H – высота волн.

 На рис. 5 показана зависимость произведения KxV0 для некоторой фиксированной высоты Н=3 м. В области зыби влияние качки резко снижается, что вполне естественно. Однако этот факт не стоит воспринимать как рекомендацию производить зондирование преимущественно в условиях зыби. Например, вариант волнения з/вв означает преобладание волн зыби, соответственно, эффекты искажений от этих двух видов волнения могут оказаться сопоставимыми.

Для квазистатического режима определений постоянной времени (знак - минус в выражении (7)) расчеты показывают существенное возрастание нелинейности (рис. 6). Здесь по-прежнему задана фиксированная высота волн 3 м, а Δτ=0,5τe.

Естественно также ожидать, что влияние качки сглаживается с увеличением постоянной времени датчика. Эта зависимость, в общем случае – нелинейная, отображается на приведенных рисунках. Однако одновременно с этим сглаживаются реальные аномалии вертикального профиля, если они существуют. Соответственно, становится проблемой выделение истинных аномалий на фоне ложных.

Решение должно приниматься отдельно для каждого зондирования. Поскольку значение постоянной времени закреплено конструкцией датчика, то остаются только методические возможности выбора: расположение судна относительно направления распространения волн – предпочтительность бортовой либо килевой качка, повторные зондирования с изменением скорости опускания зонда и др.

5.png 
 
Рисунок 5 – Характер искажений при фиксированной высоте волн (3 м)
и при различных сочетаниях τe и  τk. Постоянная времени датчика указана
для второго режима при рекомендованной скорости 1 м/с.
Изменения постоянной времени заданы как 0,5 τe..
 
 6.png
 
Рисунок 6 – Характер искажений при фиксированной высоте волн (3 м)
и при различных сочетаниях τe и  τk. Постоянная времени датчика указана
для квазистатического режима. Изменения постоянной времени заданы как 0,5 τe..
 

Предпочтительность бортовой качки проявляется, когда зонд опускается с кормы судна, а килевой – с борта (с откидного мостика). Что же касается повторных зондирований с разной скоростью, то это действительно перспективно, но требует отдельного рассмотрения.

Выводы.
1. CTD-зондирование при «гладком» верхнем термоклине чревато выявлением ложной квазипериодической структуры с аномальными градиентами, что обусловлено качкой исследовательского судна. Из-за качки при задаваемой скорости опускания зонда происходят перемещения точки подвеса зонда, что вызывает квазипериодические изменения скорости, при этом зонд как бы «скользит» вверх-вниз по термоклину. Одновременно с этим изменяется постоянная времени датчика температуры.

2. При наличии в зоне термоклина реальных квазипериодических аномалий структуры их выявление становится проблематичным на фоне регистрируемых ложных аномалий. Выявление реальной структуры возможно лишь при строгом учете вида качки (килевая, бортовая) и места размещения зондирующей системы. Определенные перспективы видны также при изменениях скорости опускания зонда.

Библиографический список:

1. Степанюк И.А. Метрологические особенности регистрации тонкой термической структуры океанологическими CTD-зондами. //Электронный периодический рецензируемый журнал «SCI-ARTICLE.RU». – 2019. – № 66 (февраль).– С. 69-78.
2. Степанюк И.А. Информационно-измерительные системы в океанологии.– СПб: Изд. РГГМУ, 1998. –90 с.
3. Степанюк И.А., Зимин А.В. Информационно-измерительные системы в океанологии. Часть 3.– СПб: Изд. РГГМУ, 2011.– 48 с.
4. Федоров К.Н., Гинзбург А.И. Приповерхностный слой океана. Глава 3.– Л.: Гидрометеоиздат,1988
5. FSIPost. Post Processing Software. User Manual Falmouth Scientific, Inc, - 2004. – 76 р.




Рецензии:

4.09.2019, 16:11 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Статья интересна, грамотно написана, для специалистов, видимо, актуальна, если океанологи уже не изобрели "не болтающиеся в вертикальном и горизонтальном векторах платформы типа "венгерок. Наверное, существуют и математические способы избавиться от этих "шумов", и технологические (удалённые платформы и т.д.). Но автор провёл своё собственное бесконтрафактное исследование, и оно заслуживает публикации в данном научном разделе журнала. Проверить ещё раз синтаксис (например, нет пробела в словосочетании "обусловленокачкой" или нет окончания в сове "ложны" и т.д.). Да, и сам автор заслуживает уважения как активный участник данной научной площадки. Рецензент "ЗА".

05.09.2019 22:22 Ответ на рецензию автора Степанюк Иван Антонович:
Автор благодарен рецензенту за положительное мнение о работе. Редакционные замечания, которые удалось обнаружить, учтены. Стабилизированные платформы, конечно, интересны и уже в океанологии использовались. Однако океанологов еще больше интересует пространственное распределение характеристик. А здесь без судов не обойтись. Некоторая "замена" - это система дрейфующих буев с передачей данных через ИСЗ. Но там при зондировании возникают те же проблемы (буй качается). С глубоким уважением И.А.Степанюк

6.09.2019, 10:40 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Рецензент подтверждает свою положительную рецензию и рекомендацию для публикации статьи по её признакам научной ценности, новизны и практической применимости в океанологической службе. С уважением к автору.



Комментарии пользователей:

5.09.2019, 14:22 Мирмович Эдуард Григорьевич
Отзыв: Рецензия дана положительная.


Оставить комментарий


 
 

Вверх