Морской гидрофизический журнал. 2021; 37: 132-142
Модуль оценивания солености морской воды на основе измерений скорости звука
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-1-132-142Аннотация
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.
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 salin-ities 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 Tropi-cal North Atlantic during SPURS: Circulation, fluxes, and compari-sons 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
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2021; 37: 132-142
Seawater Salinity Estimating Module Based on the Sound Velocity Measurements
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-1-132-142Abstract
Purpose. Reliability of knowledge about the ocean dynamics and climate variability is largely limited for lack of systematic in situ observations of the sea surface layer salinity, which is one of the basic hydrological parameters determining circulation and stratification of the water masses. The study is aimed at developing an autonomous device for long-term monitoring of salinity in the seawater upper layer.
Methods and Results. One of the most effective tools for in situ observations of the ocean upper layer is the global network of surface drifting buoys – drifters. At present, the network consists of more than 1500 buoys, but only a few of them provide sea surface salinity observations within the framework of a limited number of pilot experiments. In the drifters, salinity is calculated by the traditional method using the results of the electrical conductivity and temperature measurements. There are a few problems related both to the principle of determining salinity by this method and to providing long-term stable running of conductivity sensors under the conditions of pollution and biological fouling. A drifter equipped with the module for the sound velocity and temperature measurements used for calculating salinity by an alternative method just aboard the drifter, was developed in Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences. The sound velocity and temperature module includes a specially designed time-of-flight sound velocity sensor with the fixed base and a quartz temperature sensor. In course of two years, numerous laboratory and in situ tests of several prototypes of the sound velocity and temperature module were performed. The laboratory tests showed that the repeatability limits for the results of the sound velocity measurements in the distilled water were ± 0.02 m/s. According to the data of the long-term in situ tests performed at intensive biological fouling, the error of salinity estimation resulted from of the sound velocity and temperature measurements were within ± 0.05 ‰. This result permits to expect that the sound velocity and temperature module parameters will remain stable in real conditions of long-term autonomous operation.
Conclusions. The obtained results make it possible to recommend application of the drifters equipped with the modules for the sound velocity and temperature measurements as an effective tool for regular operational monitoring of the salinity field of the upper sea layer.
References
1. Motyzhev S. V., Lunev E. G., Tolstosheev A. P. Opyt primeneniya barometricheskikh drifterov dlya issledovanii Arkticheskogo regiona Mirovogo okeana // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2016. № 4. S. 53–63. doi:10.22449/0233-7584-2016-4-53-63
2. Motyzhev S. V., Lunev E. G., Tolstosheev A. P. Opyt primeneniya avtonomnykh drifterov v sisteme nablyudenii ledovykh polei i verkhnego sloya okeana v Arktike // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2017. № 2. S. 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 salin-ities 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 Tropi-cal North Atlantic during SPURS: Circulation, fluxes, and compari-sons 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. Babii V. I., Tolstosheev A. P. Rabochie sredstva izmereniya skorosti zvuka v morskoi srede. Sevastopol': MGI NAN Ukrainy, 1999. 36 s.
11. Meleshko E. A. Integral'nye skhemy v nanosekundnoi yadernoi elektronike. Izd. 2-e, dop. M. : Atomizdat, 1978. 216 s.
12. Babii V. I. O metrologii skorosti zvuka v zhidkosti // Akusticheskii zhurnal. 2017. T. 63, № 3. S. 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
