Модуль оценивания солености морской воды на основе измерений скорости звука

А. П. Толстошеев✉, Е. Г. Лунев, С. В. Мотыжев, В. З. Дыкман

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: tolstosheev@marlin-yug.com

Аннотация

Цель. Достоверность знаний о динамике океана и изменчивости климата в значительной степени ограничивается отсутствием систематических контактных наблюдений солености в поверхностном слое моря – одного из основных гидрологических параметров, определяющих циркуляцию и стратификацию водных масс. Цель данной работы – создание автономного средства долговременного мониторинга солености верхнего слоя морской воды.

Методы и результаты. Одним из наиболее эффективных средств контактных наблюдений верхнего слоя океана является глобальная сеть поверхностных дрейфующих буев – дрифтеров. В настоящее время в состав сети, насчитывающей свыше 1,5 тыс. буев, входит лишь небольшое количество дрифтеров-солемеров, применение которых, как правило, ограничено рамками пилотных экспериментов. Вычисление солености в дрифтерах реализовано традиционным методом с использованием результатов измерений электропроводимости и температуры. Существует ряд проблем, связанных как с принципом определения солености таким методом, так и с обеспечением долговременной стабильности датчиков электропроводимости в условиях загрязнения и биологического обрастания. В Морском гидрофизическом институте РАН был разработан дрифтер с модулем SVT для вычисления солености альтернативным методом – по результатам измерений скорости звука и температуры. В модуле используются специально разработанный времяпролетный измеритель скорости звука с фиксированной базой и кварцевый датчик температуры. В течение двух лет были выполнены многочисленные лабораторные и натурные испытания нескольких экземпляров модуля SVT. По данным лабораторных испытаний, пределы сходимости результатов измерений скорости звука в дистиллированной воде составили ±0,02 м/с. По данным долговременных натурных испытаний, которые проводились в условиях интенсивного биологического обрастания, погрешность оценивания солености по результатам измерений скорости звука и температуры модулем SVT находилась в пределах ±0,05 ‰, что позволяет рассчитывать на устойчивость характеристик модуля в реальных условиях длительной необслуживаемой эксплуатации в составе дрифтера.

Выводы. Полученные результаты позволяют рекомендовать использование дрифтеров с модулями измерения скорости звука и температуры в качестве эффективного средства систематического оперативного мониторинга поля солености верхнего слоя моря.

Ключевые слова

дрейфующий буй, морская вода, скорость звука, температура, соленость

Благодарности

Авторы выражают свою признательность рецензентам за ценные замечания и методическую помощь. Работа выполнена в рамках государственного задания по теме «Развитие методов и средств оперативной океанологии для исследований изменчивости полей Черного моря» (шифр «Черное море») Программы фундаментальных научных исследований президиума РАН № 20 «Новые вызовы климатической системы Земли» на 2019 г. при финансовой и технической поддержке ООО «Марлин-Юг».

Для цитирования

Модуль оценивания солености морской воды на основе измерений скорости звука / А. П. Толстошеев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 1. С. 132–142. EDN HOWEJZ. doi:10.22449/0233-7584-2021-1-132-142

Tolstosheev, A.P., Lunev, E.G., Motyzhev, S.V. and Dykman, V.Z., 2021. Seawater Salinity Estimating Module Based on the Sound Velocity Measurements. Physical Oceanography, [e-journal] 28(1), pp. 122-131. doi:10.22449/1573-160X-2021-1-122-131

DOI

10.22449/0233-7584-2021-1-132-142

Список литературы

  1. Мотыжев С. В., Лунев Е. Г., Толстошеев А. П. Опыт применения барометрических дрифтеров для исследований Арктического региона Мирового океана // Морской гидрофизический журнал. 2016. № 4. С. 53–63. doi:10.22449/0233-7584-2016-4-53-63
  2. Мотыжев С. В., Лунев Е. Г., Толстошеев А. П. Опыт применения автономных дрифтеров в системе наблюдений ледовых полей и верхнего слоя океана в Арктике // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 2. С. 54–68. doi:10.22449/0233-7584-2017-2-54-68
  3. Validation of salinity data from surface drifters / G. Reverdin [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2014. Vol. 31, iss. 4. P. 967–983. doi:10.1175/JTECH-D-13-00158.1
  4. Hormann V., Centurioni L. R., Reverdin G. Evaluation of drifter salinities in the Subtropical North Atlantic // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2015. Vol. 32, iss. 1. P. 185–192. doi:10.1175/JTECH-D-14-00179.1
  5. Sea surface salinity observations with Lagrangian drifters in the Tropical North Atlantic during SPURS: Circulation, fluxes, and comparisons with remotely sensed salinity from Aquarius / L. R. Centurioni [et al.] // Oceanography. 2015. Vol. 28, no. 1. P. 96–105. doi:10.5670/oceanog.2015.08
  6. Near-surface salinity and temperature structure observed with dual-sensor drifters in the subtropical South Pacific / S. Dong [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 122, iss. 7. P. 5952–5969. doi:10.1002/2017JC012894
  7. Sea surface salinity quality control processes for potential use on data buoy observations. WMO, 2011. (DBCP Technical Document ; No. 42). URL: https://library.wmo.int/doc_num.php?explnum_id=7078 (date of access: 24.05.2020).
  8. A new salinity equation for sound speed instruments / J. T. Allen [et al.] // Limnology and Oceanography, Methods. 2017. Vol. 15, iss. 9. P. 810–820. doi:10.1002/lom3.10203
  9. Von Rohden C., Fehres F., Rudtsch S. Capability of pure water calibrated time-of-flight sensors for the determination of speed of sound in seawater // The Journal of the Acoustical Society of America. 2015. Vol. 138, iss. 2. P. 651–662. doi:10.1121/1.4926380
  10. Бабий В. И., Толстошеев А. П. Рабочие средства измерения скорости звука в морской среде. Севастополь: МГИ НАН Украины, 1999. 36 с.
  11. Mелешко Е. A. Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике. Изд. 2-е, доп. М. : Атомиздат, 1978. 216 с.
  12. Бабий В. И. О метрологии скорости звука в жидкости // Акустический журнал. 2017. Т. 63, № 3. С. 251–264. doi:10.7868/S0320791917030030
  13. Del Grosso V. A., Mader C. W. Speed of sound in pure water // The Journal of the Acoustical Society of America. 1972. Vol. 52, iss. 5B. P. 1442–1446. doi:10.1121/1.1913258
  14. Delauney L., Compère C., Lehaitre M. Biofouling protection for marine environmental sensors // Ocean Science. 2010. Vol. 6, iss. 2. P. 503–511. doi:10.5194/os-6-503-2010

Скачать статью в PDF-формате