РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ
течений. Наиболее эффективными оказались теннисный шарик с не- большой положительной плавучестью на тонкой нити, закрепленной на дне, а также вертушка, лопасти которой приводились в движение потоками воды. Для регистрации движений маркеров использовалась программа QAVIS [2], которая анализировала в реальном времени видеотрансляцию с камеры на одном из компьютеров в здании ин- ститута. В сигналах горизонтальных движений маркеров были обна- ружены спектральные компоненты, присущие ветровому волнению (периоды 1-5 с) и волнам зыби (6-12с). Известно, что поверхностные волны вовлекают в эллиптические движения подповерхностные слои воды, поэтому регистрируемые программой сигналы вариаций под- водных течений на глубине 3-4 м несут информацию о частотном со- ставе сигнала волнения. В низкочастотной области спектра течений также проявились узкополосные компоненты, наиболее мощная соот- ветствует периодичности 10 мин. Она, очевидно, вызвана подтверж- денными ранее многими исследователями 10 минутными сейшевыми колебаниями Амурского залива в районе о-ва Попова.
В 2014 году в бухте была развернута первая конструкция «виде- оволномера», используемого для регистрации сигналов волнения и колебаний уровня моря. На расстоянии 100 м от берега на глубине 4 м в дно была жестко вбита металлическая веха. На выступающий над водой конец надета свободно скользящая легкая конструкция с не- большой пенопластовой плавучестью внизу и маркерным объектом вверху. На маркер наклеена светоотражающая лента, позволяющая его видеть в ночное время при небольшой подсветке с берега. Уста- новленная на берегу на высоте 6 м камера IP1536 с длиннофокусным объективом RICOM RV0550D.IR вела непрерывную трансляцию ви- деосцены с волномером в сеть ДВО РАН. На одном из компьютеров в здании института с помощью программы QAVIS велась регистра- ция вертикальных движений маркера – сигнала волнения h(t). Точ- ность измерений определяется линейным размером одного пиксела изображения в плоскости наблюдения волномера, в нашем случае она была равна 0.45 см. Анализ полученных записей сигнала вол- нения подтвердил присутствие в бухте различных систем ветрового волнения, претерпевающих существенную динамику в зависимости от метеорологических условий. Высота наиболее интенсивных волн при сильном северо-западном ветре достигала 70-80 см. Волнение зыби с характерными периодами от 6 до 14 сек, как правило, имеет незначительную высоту, 2-5 см. Это обусловлено тем, что бухта поч-
ти полностью экранирована от волнения, идущего из открытой ча- сти Японского моря. В частотно-временных спектрограммах сигнала волнения часто фиксировались «треки» с линейно возрастающей ча- стотой. Это отклики корабельных волн от проходящих в бухте и мимо бухты морских судов. Изменение частоты обусловлено дисперсией порождаемого судном пакета волн, более длинные низкочастотные волны имеют большую скорость и быстрее доходят до бухты, чем ме- нее длинные. По длительности и крутизне частотного трека можно примерно оценить положение источника возмущения морской по- верхности относительно волномера. Длительность некоторых треков была более 1 часа, что соответствует случаям прохождения крупных судов на расстоянии до 6-8 км от бухты. Отметим, что треки от ко- рабельных волн синхронно наблюдались в сигналах вариаций под- водных течений, регистрируемых подводной камерой, а в целом оба метода потенциально могут представлять интерес для применения в системах контроля морской деятельности. Помимо анализа поверх- ностного волнения с помощью видеоволномера было подтверждено присутствие в бухте нескольких стабильных систем сейшевых коле- баний уровня моря с периодами от 2 минут до 2 часов. Упоминавши- еся ранее сейши с периодом 10 минут имеют высоту 3-5 см. Иногда, при неблагоприятных метеорологических условиях, высота увеличи- вается до 10-12 см. 2 мая 2016 года наблюдался уникальный случай:
в течение нескольких часов волномером фиксировались 10-минутные сейши высотой около 30 см, т.е. сопоставимые с приливными колеба- ниям. Этот необычный факт также отметили работники МЭС и жите- ли о. Попова, вода в течение часа несколько раз подступала и отсту- пала от берега на расстояние порядка 4-5 метров.
В 2015-2016 годах в бухте разворачивались и исследовались кон- струкции трехточечных видеоволномеров. Примерно в том же самом месте в дно в углах правильного треугольника вбивались три вехи с маркерными системами. C помощью камеры и программы QAVIS синхронно регистрировались три сигнала волнения. Целью услож- нения конструкции являлось исследование возможности оценки на- правления и фазовых скоростей распространения различных систем поверхностных волн. Сначала проводилась частотная фильтрация интересующей системы волнения (рябь, ветровые волны, корабель- ные волны, зыбь) из всех трех сигналов, далее рассчитывались вза- имные корреляционные функции между сигналами и по положению максимумов корреляции определялись задержки времен приходов
волн к разным вехам. По задержкам оценивались направление и ско- рость волн. В 2015 году использовался волномер с базой (расстояни- ем между вехами) 1м. Методика неплохо себя проявила для анали- за волн ряби, коротких ветровых и корабельных волн. В частности, движение ряби (периоды 0.5-0.7 с) почти всегда было направлено от берега, и это согласовывалось с данными береговой метеостанции – рябь вызывал южный ветер, дующий от берега в сторону выхода из бухты. Анализ волн зыби осложнялся тем, что они очень быстрые и преодолевают расстояние в 1 м между вехами за доли секунды, что сопоставимо с интервалом между обрабатываемыми кадрами ви- део. Поэтому в 2016 году база трехточечного видеоволномера, была увеличена до 3 м. Это позволило лучше исследовать характеристи- ки волн зыби, но несколько ухудшило качество анализа ряби, обла- дающих малой пространственной когерентностью. Как правило, пик корреляционной функции можно уверенно идентифицировать только для одной пары вех, расположенных примерно вдоль основного на- правления распространения волн ряби.
В 2018 г. в бухте Алексеева были установлены две конструкции волномеров: ранее применявшаяся стационарная (рис. 1а), на удале- нии 100 м от берега, и заякоренная (рис. 1б) на удалении 200 м на глубине около 7 м. На рис. 1в демонстрируется процесс регистрации сигналов волнения с обоих волномеров. Одной из целей было иссле- дование эффективности конструкций заякоренных волномеров. Их преимуществом является возможность установки более далеко от берега, на больших глубинах. Недостатком являются случайные дви- жения маркера по поверхности воды под действием течений и ветра, приводящие к небольшой неконтролируемой добавке в вертикальные смещения маркера в поле зрения камеры.
Сравнение полученных в различное время сигналов с обоих вол- номеров показало, что их спектры очень похожи в диапазоне поверх- ностных волн, но имеют небольшие отличия в сейшевом диапазоне.
В целом считаем, что заякоренные видеоволномеры вполне могут применяться для регистрации волнения на значительных удалениях от берега. Для примера на рис. 1г приведены трехчасовые осцилло- граммы сигналов волнения, зарегистрированных дальним (h200) и ближним (h100) волномерами, измерения проводились 11 октября 2018 г. с 4 до 7 часов утра. На рис. 1д приведены спектры сигналов волнения, которые очень похожи.
Рис. 1. Два волномера в бухте Алексеева 11 октя- бря 2018 г., оценивание скоростей распростране-
ния зыби и ветровых волн
а б в
г
д ж
е
Вторая цель применения двух разнесенных на 100 м волномеров состояла в измерении пространственных масштабов когерентности и групповых скоростей распространения различных систем волнения.
В спектрах на рис. 1д видны отклики зыби с периодами 9-10 с (не- большой, но заметный пик на низких частотах) и ветровых волн с периодами 1-3 сек (более мощный и широкий пик правее первого).
Компоненты зыби и ветрового волнения были выделены из исходных сигналов методами частотной фильтрации. На рис 1е отображены ос- циллограммы 5-минтуных фрагментов этих компонент, вверху зыбь, внизу ветровые волны. Сигналы с дальнего волномера отображают- ся черным цветом, сигналы с ближнего волномера – синим. На рис.
1ж отображены взаимные корреляционные функции между сигнала- ми, зарегистрированными дальним и ближним волномерами: вверху корреляции волн зыби, внизу – корреляции ветровых волн. Отме- тим, прежде всего, что в обоих случаях на взаимных корреляцион- ных функциях зрительно хорошо заметны пики, что подтверждает когерентность рассматриваемых типов волн на расстояниях до 100 м. При этом сами значения корреляций в максимумах не очень ве- лики: 0.33 для зыби и 0.32 для ветровых волн, это свидетельствует о том, что спустя 100 м форма сигналов претерпела уже достаточно существенные изменения. Наиболее важными параметрами являются положения корреляционных пиков относительно точки начала коор- динат, фиксирующие временную задержку между сигналами, реги- стрируемыми разными волномерами. В нашем случае обе задержки отрицательные, это означает, что зыбь и ветровые волны движутся по направлению к берегу, последовательно проходя сначала даль- ний волномер, затем ближний. Для волн зыби задержка равна 17 с, следовательно, скорость их движения Vзыби = 100м / 17с = 5.9 м/c.
Для ветровых волн задержка существенно больше – 55 с, скорость их движения равна Vволн = 100м / 55c = 1.8 м/с.
В зимние периоды, когда бухта покрывалась льдом, с помощью той же камеры организовывались наблюдения за вертикальными движениями льда. Так в январе-марте 2018 года в бухте Алексеева (о-в Попова, Амурский залив) выполнялись наблюдения за четырьмя маркерами, установленными на ледовой поверхности на расстояниях 100, 200, 300 и 400 м от берега. Благодаря применению светоотража- тельной ленты и фонаря подсветки все маркеры были хорошо вид- ны на видео в дневное и ночное время. Во всех сигналах устойчиво проявлялись сейшевые колебания уровня моря с периодами 2ч 10м,
50м, 10м, которые наблюдаются и в летнее время. Иногда в сигналах движений льда проявлялись колебания, присущие волнам зыби. Один такой случай отмечен 23 февраля, когда при толщине льда порядка 30-35 см на всех маркерах проявились колебания с периодами око- ло 8.5 сек. Средний размах этих колебаний ледовой поверхности был очень мал, порядка 3 мм.
Зимой 2016 года были организованы синхронные надводные и подводные наблюдения за движениями льда в точке на удалении 100 м от берега. Береговая камера следила за вертикальными дви- жениями маркера, установленного на поверхности льда, подводная, за вертикальными движениями маркера на жестком креплении, опу- щенном со льда в воду. Была подтверждена очень высокая коррелиро- ванность обоих сигналов в диапазонах сейшевых колебаний. Помимо этого подводная камера следила за горизонтальными движениями под действием вариаций подводных течений второго маркера с не- большой отрицательной плавучестью, прикрепленного легкой нитью к ледовой поверхности. В этих движениях часто проявлялись высо- кочастотные компоненты, присущие волновым процессам (период от 7 до 10 с), т.е. подо льдом зимой происходят движения водных масс.
Практически во все годы, начиная с 2012 г. в бухте Алексеева ве- лись подводные видеонаблюдения, сначала с помощью одной, а по- том двух камер. Основная задача была связана с фиксацией и описа- нием состояния подводного биоразнообразия. Но параллельно велись работы по регистрации вариаций подводных течений на основе сле- жения за искусственными (шарики, вертушки) и естественными (зоо- планктон, неорганические взвеси) маркерами.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке под- программы № 18-1-004 «Изучение фундаментальных основ взаимо- действия разномасштабных гидроакустических, гидрофизических и геофизических процессов…».
Литература
1. Фищенко В.К., Долгих Г.И., Зимин П.С., Суботэ А.Е. Некоторые результаты океанологического видеомониторинга // ДАН. 2018. Т. 482, № 3. С. 338-341.
2. Фищенко В.К., Гончарова А.А. Программа для ЭВМ “Программа экс- пресс-анализа изображений и видео (QAVIS)” // Свидетельство о регистрации
№ 2017611593. РФ. Бюл. 2017. № 2.