„Страхливецът не обича живота, той само се страхува да не го загуби.“

Въведение. Към настоящия момент значителен масив от данни измерени за хидрологичните, хидрохимичните, хидрооптичните и хидробиологичните характеристики за водите на Черно море са натрупани в различните банки от данни. От използването на тези данни са създадени различни карти и атласи. В същото това време карти на теченията в Черно море са построени на основата на геострофични разчети или на различни хидродинамични модели на басейна, тъй като за тези цели се използва традиционен метод за измерване на теченията – постановката на буйове с автономни прибори. Доколкото постановките са относително не многобройни, тяхната продължителност, пространственото им положение и сроковете на измерване не позволяват пресъздаването на пространствената структура на теченията в разглеждания басейн. По-съвременни средства – контактни и дистанционни (доплерови) профиломери на теченията – са се появили относително неотдавна и за сега не са намерили широко използване за систематични пространствени снимки.

Контактни профиломери на теченията от типа ГЗП-2000 са били използвани през 1992-1994 година за извършване на няколко снимки на северозападната част на Черно море. Тези прибори са снабдени също с високо точни измерители на хидрологичните характеристики, което позволява синхронно с профилите на теченията да се получат профилите за плътността и да се изчислят геострофическите течения. Такива данни са използвани за обективно съпоставяне на резултатите на пряко измереното поле на теченията с данните на техните косвено определени по полето на плътността. На основата на такъв анализ при определени условия могат да се използват съществуващите масиви в различни банки от хидрологични данни за построяването на карти на теченията.

Експериментални данни. Грешката на измерване на теченията със сонда ГЗП-2000 съдържа три съставляващи: грешка в акустичния измерител на скоростта (1,5-2,5 см/с) при средна скорост на обтичане на измерителната ос на прибора от 10 до 40 см/с; грешка при определяне на скоростта на движението на сондата относно кораба (1-1,5 см/с) и грешка при определяне на дрейфа на кораба (3-4 см/с) или остатъчно течения на дълбочина 500 м, която има приблизително същата такава величина. Тъй като тези грешки са независими, с вероятност 0,95 сумарната грешка на измерване се намира в пределите 3,5-5 см/с.

Първата снимка с профиломера ГЗП-2000 била направена в периода 9-16 август 1992 г. в експедицията на НИК „Яков Гакел”. Разстоянието между станциите е било равно на 10 мили (при приближаване на брега – 5 мили), общия брой на станциите бил 83. Максималната дълбочина на сондиране е била 500 м, в районите с по-малки дълбочини – с 7-10 м по-малки от дълбочината на мястото.

Използването на профиломера ГЗП-2000 при изпълнението на снимката за първи път е позволило да бъдат получени синхронни пространствено разпределени течения и хидрологични параметри с високо разделение по вертикала (1 м) и по хоризонта (5-10 мили). Взаимното сравняване на данните от профиломера ОЛТ и намиращите се в този район буйкови станции е показало сходимост и възпроизводимост на резултатите в пределите на възможната инструментална грешка на автономните измерители на теченията с вероятност не по-ниска от 0,77.

Вертикалната структура на теченията се характеризирала с добре изразена слоестост, при което границите на слоевете са съвпадали с границите на термохалините структури, а увеличаването на вертикалното придвижване на течението се наблюдавало в зоните на увеличен вертикален градиент на плътността.

В зоната на Основното черноморско течение (ОЧТ), конвергенцията и прибрежните течения отчетливо се разграничават в хоризонталната структура на течението по данните от преките измервания, което като цяло съответства на данните с по-рано изпълнени изследвания. Основно различие от традиционните представи за картината на теченията се е състояло в това, че тяхната структура, по данни от преките измервания, е имала много по-сложна пространствена изменчивост.

Втората снимка на полето на теченията и хидрологичните характеристики е била направена с експедицията на НИК „Трепанг” от 19 октомври до 8 ноември през 1993 г. При която се е използвала следната методика. В зоните с увеличена дълбочина от 1500 до 2000 м снимката на полето на теченията и хидрологичните параметри от повърхността до дълбочини от 500 м се изпълнявали в два полигона с размери от 60 на 45 мили в мрежа от станции по на 5 мили по ширина и от по на 10 мили по дължина. Получените данни били използвани за оперативно определяне на положението на потока на ОЧТ, в това число и в контролните точки на установка, намиращи се в слоя на главния пикноклин на две дълговременни (96 денонощия) под повърхностни буйкови станции, оборудвани с 9 автономни прибора. Контролните сондирания били изпълнени с цел сравнение показанията на ГЗП-2000 с показанията на автономните прибори. Тези сравнения са показали достатъчно добро съвпадение на показанията на автономните прибори и тези от ГЗП-2000, както по направления, така и по скоростта на теченията.

Пространствената структура на теченията на двата полигона се характеризира с значителна изменчивост което е следствие на меандрированието (извиването) на Основното черноморско течение, което се е проявило, както по данните от непосредствените измервания на полето на течението, така и по резултатите от разчетите на характеристиките на динамичната топография по полето на плътността.

Третата снимка на полето на теченията и хидрологичните параметри с профиломера ГЗП-2000, което е било проведено от 2 до 27 декември 1994 г. с НИК „Професор Колесников”. По време на тази експедиция за повишаване на качеството на хидрологичните данни са били използвани три типа CTD измерители: профиломер ГЗП-2000, хидрологична сонда ИСТОК-7 и хидрологооптична сонда ОГХ, имащи примерно аналогични характеристики на измерителните канали за температурата, за относителната електрическа проводимост и за хидростатичното налягане. Взаимното сравняване на инструментите и метрологичния контрол на измерителните канали е било провеждано регулярно, което е осигурило надежден контрол и тяхната стабилност.

Снимката на течението и хидрологичните параметри с продължителност от 15 денонощия била проведена на полигона с координати 43,5-45º с.ш., 31,5-35,0º и.д. с мрежа от станции от 10 на 20 мили. Сондирането се е изпълнявало на дълбочини до 520-540 м. Данните от преките измервания на полето на течението и резултатите от геострофичните разчети са показали добре изразени фрагменти на меандриращ поток на ОЧТ и на синоптичните циклонални и антициклонални вихрови структури. Скоростта на повърхностните течения в струята на ОЧТ по данни на геострофичните разчети и преките измервания са били в пределите на 15-20 см/с.

Относително изправените участъци от ОЧТ по направление на ширината са били открити в източната част на полигона. В тази зона от 21 до 25 декември 1994 г. била изпълнена микро полигонна снимка с размери 60 на 45 мили и с разстояние между станциите 2,5-5 мили по ширина и 10 мили по дължина. Сондирането било проведено до дълбочини 1000 м, на някои станции и до дъното.

Преките измервания и данните от геостофичните разчети са показали значително увеличение на скоростта на теченията в зоната на ОЧТ, както в повърхностния слой (100-150 см/с), така и на дълбочината на пикноклина (20-25 см/с). Този процес на зимна интензификация на ОЧТ бил обусловен от усилването на скоростта на вятъра от източно направление в периода от 21 до 25 декември със средно денонощно значение от 15-20 м/с.

Вертикалната структура на теченията в зоната на ОЧТ по данни от измерванията на сондата ГЗП-2000 е имала следната характерна особеност. Поток със западно направление се е наблюдавал в горния слой на морето от повърхността до горната граница на основния пикноклин (30-60 м). Този поток съответства на известната схема на повърхностната циклонична циркулация в северозападната част на Черно море, където са били провеждани указаните снимки. Изменение на направлението на течението към източно направление било наблюдавано на някои станции в горната част на пикноклина. При което максимума на това противоречие примерно е било равно на половината от скоростта на повърхностното течение и се е намирал на дълбочина 150-250 м, което примерно съответства на центъра на основния пикноклин. На долната граница на основния пикноклин (на дълбочина 300-400 м) направлението на течението се е изменило към западно, величината на неговата скорост била незначителна (3-5 см/с), Такава три слоена структура на течението съответства на предложения от С.Н. Булгаков хидродинамичен модел за формиране на циркулацията в Черно море и се потвърждава също от данните на лабораторното физическо моделиране.

Указаното съответствие на границите на разно насочените потоци, характеристиките на хидрологичните структури на водата, служат като основа за определяне на хоризонтите, характерни за геострофичните течения, в зоните с най-голяма динамична активност – зоната на ОЧТ – и на техния последващ съпоставителен анализ с данните от преките измервания.

Методи за обработка на данните и анализ на резултатите.

За направата на сравнителния анализ на горния 50-100 метров слой и в слоя на главния пикноклин (150-200 м) е било създадено специално програмно осигуряване (ПО), което е предназначено за реализация на следните основни операции.

1. Усвояване на информацията, получена на хидрологичните станции при снимка на полигони и разчитане на динамическите височини на зададени хоризонти по относително избрана „нулева” повърхност.

2. Създаване на нова много по учестена мрежа от опорни точки за пространствена интерполация на изходните данни и преизчисляване на динамическите височини във възлите на новата мрежа.

3. Разчитане на меридионалния и широтния компоненти на скоростта на геострофичното течение с последващи разчети на модула и направлението. (При изпълнение на такива разчети се използва стандартен динамичен метод).

4. Формирането на резултатите във вид на таблици, графици и карти става с използването на стандартни пакети.

5. Сравняването на геострофическите и измерените течения става по пътя на построяването на регресивни полета и с разчитане на коефициентите на корелация между разчетните и измерените масиви от данни. За осъществяването на такова сравняване измерените данни по метода на пространствената интерполация се преизчисляват във възлите на новата мрежа.

С помощта на това програмно осигуряване е била направена обработката на данните от указаните по-горе комплексни синоптични снимки. В процеса на тяхната обработка били направени разчети с изменение на броя на възлите в мрежата за интерполация и определяне на влиянието на количеството на такива възли в крайния резултат. Системата показала устойчивост към измененията на тези параметри. При това не са открити принципни различия в различните варианти. В крайна сметка броя на възлите за интерполация са били приети да са равни на 400.

В динамичния метод разчитането на геострофическите течения по данни от плътностната снимка като важен елемент се явява избора на „нулевите” повърхности, относно които се извършват всички разчети. В създаването на ПО е осигурена възможност за неговото изменение. На основата на предварително изпълнени изследвания „нулевата” повърхност е избрана да е равна на 500 дбара.

Разработеното ПО позволява да се направят разчети за геострофическите течения на всички хоризонти, където изпълнените измервания на хидрологичните характеристики (за данните от профиломера ГЗП-2000 – през 1 м). За целите на дадената работа разчетите били направени до дълбочини 250-350 м с учестяване на хоризонтите в горните слоеве на морето. И така, изпълнение на снимката с НИК „Професор Колесников” в източната част на полигона, разчетите за геострофическите течения и съпоставянето им с измерените течения били направени на хоризонтите 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 100, 150, 200 м, по данните от снимката на целия полигон – на хоризонти 1, 5, 10, 20, 50, 100, 150, 200, 250, 350 м; на микро полигона – на хоризонти 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 150, 200 м. Геострофическите течения по резултати от първата снимка с НИК „Трепанг” на полигона била разчетена на хоризонти 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 100, 150, 200, 250, 350 м; а за втората снимка – на хоризонти 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 150, 250, 350 м; за снимката с НИК „Яков Гакел” – на хоризонти 1, 5, 10, 20, 50, 100, 150 м.

Освен разчетите на геосрофическите течения и интерполацията във възлите на зададената мрежа, създаденото ПО предвижда възможност за разчет на статистическите характеристики на мередионалните и широтните съставляващи на измерените и геострофичните течения: математическото очакване, дисперсията, корелационните моменти и корелационните коефициенти. По резултатите от разчетите на зададените хоризонти на твърд диск се формират 30 файла във вид на таблици, пригодени за използване.

Съпоставянето на хоризонталното разпределение на векторите на дълбочина 10 м по резултатите от преките измервания и геострофичните разчети на основа на данните от първата комплексна синоптична снимка, изпълнена с НИК „Яков Гакел” е показало съвпадение на основните структурни особености на тези разпределения: усилване на широтната (западната) съставляваща на скоростта в район със сгъстяване на изолиниите на динамичните височини, извиване на ОЧТ към югозападно направление в югозападната част на полигона. Независимо от това много от структурните особеностите се различават съществено.

Пространственото разпределение на повърхностните течения, по данните измерени с ГЗП-2000 и геострофичните разчети, изпълнени с НИК „Трепанг”, както и по данни от първата снимка, е показало качествено подобие на общата схема на циркулация по измерени и изчислени данни и заедно с това на наличието на цяла редица различия както по величината на скоростта, така и по направление на векторите на течението. Същото може да се каже и за пространственото разпределение на при повърхностните течения по данни от преките измервания и геосрофичните разчети, изпълнени на основата на комплексната синоптична снимка на полигона.

За определяне на количествените характеристики на взаимосвързаност на хоризонталното разпределение на векторите на геострофичните и измерените течения е бил използван векторно алгебричен метод на взаимно статистическия анализ на векторните полета.

Корелацията на векторните полета се определя като математическо очакване на тензорно произведение на векторите в точките с еднакви координати и характеризира взаимната връзка на подредените (колинеарни) структури на полетата на скоростта на теченията към избраната система от координатни оси.

Относно декартовите проекции на скоростта на теченията тензорът може да бъде представен във вид на матрица.

Линейния инвариант на симетричния тензор е равен на сумата от компонентите на главния диагонал в неговата матрица, при което еквивалентното математическо очакване се получава от произведението на векторите на геострофическите и на измерените течения и което характеризира степента на неговите подредени (колинеарни) структури.

Ако инвариантът е по-голям от нулата взаимовръзката на полетата се определя предимно от еднопосочните съставляващи на тези вектори, ако инвариантът е по-малък от нула то тогава инвариантът предимно се определя от противоположно насочените съставляващи на векторите.

Инварианта на косо симетричните части на корелационния тензор се характеризира от ортогоналните взаимни структури на векторите на измерените и геостофичните течения.

Нормираните значения на инвариантите на корелациония тензор, които съответстват на колиенарните и ортогоналните структури на геострофичните течения относно измерените.

В таблицата са приведени значенията на нормированите величини на инвариатите на корелационните тензори на колинарните R_k и ортогоналните R_w структури и са изчислени за различните дълбочини при изпълнение на указаните по-горе синоптични снимки.

Нормировани значения на инвариантите на корелационните тензори R_k и R_w

Забележка: 1 – втори етап на полигонната снимка; 2 – полигонна снимка; 3 – микро полигонна снимка; 4 – първа полигонна снимка; 5 – втора полигонна снимка.

От приведените данни следва, че за по-голямата част от снимките нормированите инварианти на тензорите на колинерованите структури в горния 100 метров слой на морето са положителни и значително превъзхождат значенията на аналогичните величини за ортогоналните структури. Това съответства на отбелязаното по-горе качествено подобие на основните структури на векторните полета на измерените и геострофичните течения в горните слоеве на морето. С увеличаването на дълбочината инвариантите на колинеарните структури на теченията се намаляват и на дълбочини от 200-250 м са съизмерими с инвариантите на ортогоналните структури. Това е свързано с факта, че с увеличаване на дълбочините се увеличава приноса на шумовите фактори, които разрушават статистическите връзки на указаните полета на скоростта на теченията.

Изводи.

1. Изпълнения анализ на квазисинхронното разпределение на измерените и изчислените (геострофични) течения е показал, за условията на синоптичната снимка с продължителност от 10-15 денонощия, че се отличава с качествено и количествено подобие на основните структури на полето на теченията в горните 50-100 метров слой на морето. Заедно с това отделни фрагменти от такова разпределение могат значително да се различават помежду си вследствие на многото естествени причини, към които се отнасят:

– изменения на дрефувите течения по време на снимката;

– проявяване на инерционни и други типове вълнови колебания;

– не стационарни изменения на синоптичните компоненти.

2. Взаимния статистически анализ на измерените и геострофичните течения е показал, че за преобладаващото количество на разглежданите синоптични снимки (5 от 6) в горните слоеве на морето се отбелязват положителни величини на нормираните инвертирани инвариантни корелационни тензори на колинеарните структури за указаните векторни полета. Тези инварианти значително превишават инвариантите на съответните ортогонални структури, което отговаря на преобладаването на подредените или съгласуваните пространствени изменения на сравняваните векторните полета.

Между векторите на измерените и геострофичните течения в направленията на преобладаващите преноси коефициентите на корелация имат значение (0,6 … 0,8) в горните слоеве на морето. С увеличаване на дълбочината тези величини, така както и величините на тензорните инварианти, се намаляват. На дълбочини 200-250 м тензорните инварианти на колиниарните структури стават съизмерими с ортогоналните. Това е свързано с общото намаление на скоростта на течението с увеличаване на дълбочината и следователно, с усилване на влиянието на различен род фактори, а също така със сложната слоестост на вертикалната структура на реалните течения, която в много случаи може да не съответства на геострофическото разпределение.

3. Най-доброто съответствие на измерените и геострофическите течения се наблюдава във горните 30-50 м слоеве на морето за стабилните по направление потоци.