Морской гидрофизический журнал. 2019; 35: 233-247
Cпутниковые данные для исследования динамики поверхностного слоя Черного моря: альтиметрия на регулярной сетке и ИК-изображения высокого разрешения
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-3-233-247Аннотация
Цель. За период более 20 лет получено весьма детальное представление об изменчивости уровня Мирового океана и его отдельных акваторий на основе спутниковых альтиметрических наблюдений. Их преимуществом является возможность достаточно быстрой оценки скоростей поверхностных течений на синоптических масштабах. Альтернативный метод исследования поверхностной динамики − оценка движений по последовательности спутниковых изображений поверхности моря в видимом/инфракрасном диапазонах. Цель данной работы – сопоставить результаты применения двух указанных методик для анализа типичной циркуляции вод верхнего слоя Черного моря.
Методы и результаты. С использованием результатов обработки последовательных ИК-изображений сенсора NOAA/AVHRR, а также данных об аномалии уровня моря Службы мониторинга состояния морской среды Copernicus на регулярной сетке (уровень обработки L4) и вдольтрековых измерений (уровень обработки L3) исследуется структура полей течений в северо-западной части Черного моря зимой 1999 г. Скорости поверхностных течений определяются на основе поля полного уровня моря, которое рассчитывается с использованием двух версий средней динамической топографии. Для сравнения картированных массивов альтиметрии и результатов обработки последовательности изображений предложена процедура восстановления уровня моря по компонентам скоростей течений. Демонстрируются результаты сравнения особенностей восстановленной по двум методикам приповерхностной циркуляции вод, в частности положения антициклонического вихря в северо-западной части Черного моря. Отмечается несоответствие между положениями центра вихря в полях уровня моря, построенных по данным альтиметрии и путем обработки последовательности изображений в инфракрасном диапазоне. Исследуется эволюция вихря по данным об аномалиях уровня моря. Его движение происходит скачкообразно, что может быть результатом применения используемой процедуры оптимальной интерполяции.
Выводы. Отмечается, что продукт спутниковой альтиметрии системы Copernicus, построенный на регулярной сетке, для бассейна Черного моря должен использоваться с учетом предоставляемой информации об ошибках интерполяции.
Список литературы
1. Satellite Altimetry and Earth Sciences : A Handbook of Techniques and Applications / Eds. L.-L. Fu, A. Cazenave. San Diego : Academic Press, 2001. 463 p. (International Geophysics Series, vol. 69).
2. Fu L. L., Le Traon P.-Y. Satellite altimetry and ocean dynamics // Comptes Rendus Geoscience. 2006. Vol. 338, iss. 14–15. P. 1063–1076. https://doi.org/10.1016/j.crte.2006.05.015
3. Satellite altimetry-based sea level at global and regional scales / M. Ablain [et al.] // Surveys in Geophysics. 2017. Vol. 38, iss. 1. P. 7–31. https://doi.org/10.1007/s10712-016-9389-8
4. Morrow R., Le Traon P.-Y. Recent advances in observing mesoscale ocean dynamics with satellite altimetry // Advances in Space Research. 2012. Vol. 50, iss. 8. P. 1062–1076. https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.09.033
5. Xu Y., Li J., Dong S. Ocean circulation from altimetry: Progresses and challenges // Ocean Circulation and El Nino: New Research / Eds. J. A. Long, D. S. Wells. New York, USA : Nova Science Publishers, 2009. Chapter 3. P. 7197. URL: https://www.aoml.noaa.gov/phod/docs/OceanFromAltimetry-Xu_et_al.pdf (date of access: 30.04.2019).
6. Assimilating along-track altimetric observations through local hydrostatic adjustment in a Global Ocean variational assimilation system / A. Storto [et al.] // Monthly Weather Review. 2011. Vol. 139, no. 3. P. 738–754. https://doi.org/10.1175/2010MWR3350.1
7. Development of Black Sea nowcasting and forecasting system / G. K. Korotaev [et al.] // Ocean Science. 2011. Vol. 7, iss. 5. P. 629–649. https://doi.org/10.5194/os-7-629-2011
8. Seasonal, interannual, and mesoscale variability of the Black Sea upper layer circulation derived from altimeter data / G. Korotaev [et al.] // Journal of Geophysical Research. Vol. 108, iss. C4. 3122. https://doi.org/10.1029/2002JC001508
9. Kubryakov A. A., Stanichny S. V. Mesoscale eddies in the Black Sea from satellite altimetry data // Oceanology. Vol. 55, iss. 1. P. 56−67. https://doi.org/10.1134/S0001437015010105
10. Циркуляция вод и характеристики разномасштабных течений в верхнем слое Черного моря по дрифтерным данным / В. М. Журбас [и др.] // Океанология. 2004. Т. 44, № 1. С. 34–48. URL: http://naukarus.com/tsirkulyatsiya-vod-i-harakteristiki-raznomasshtabnyh-techeniy-v-verhnem-sloe-chernogo-morya-po-drifternym-dannym (дата обращения: 20.03.2019).
11. Béréziat D., Herlin I., Younes L. A generalized optical flow constraint and its physical interpretation // Proceedings IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. CVPR 2000 (Cat. No.PR00662). Hilton Head Island, SC : IEEE, 2000. Vol. 2. P. 487−492. doi:10.1109/CVPR.2000.854890
12. Data assimilation of satellite images within an oceanographic circulation model / E. Huot [et al.] // 2006 IEEE International Conference on Acoustics Speech and Signal Processing Proceedings. Toulouse, France : IEEE, 2006. P. II-II. doi:10.1109/ICASSP.2006.1660330
13. Retrieving ocean surface current by 4-D variational assimilation of sea surface temperature images / G. Korotaev [et al.] // Remote Sensing of Environment. 2008. Vol. 112, iss. 4. P. 1464−1475. https://doi.org/10.1016/j.rse.2007.04.020
14. Kubryakov A., Plotnikov E., Stanichny S. Reconstructing large- and mesoscale dynamics in the Black Sea region from satellite imagery and altimetry data – a comparison of two methods // Remote Sensing. 2018. Vol. 10, iss. 2. Article 239. https://doi.org/10.3390/rs10020239
15. DUACS DT2014: the new multi-mission altimeter data set reprocessed over 20 years / M.-I. Pujol [et al.] // Ocean Science. 2016. Vol. 12, iss. 5. P. 1067−1090. https://doi.org/10.5194/os-12-1067-2016
16. Bretherton F. P., Davis R. E., Fandry C. B. A technique for objective analysis and design of oceanographic experiments applied to MODE-73 // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1976. Vol. 23, iss. 7. P. 559−582. https://doi.org/10.1016/0011-7471(76)90001-2
17. Kubryakov A. A., Stanichny S. V. Reconstruction of mean dynamic topography of the Black Sea for altimetry measurements // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2012. Vol. 48, iss. 9. P. 973–979. https://doi.org/10.1134/S0001433812090095
18. Ассимиляция климатических гидрологических данных в модели Черного моря на основе алгоритма адаптивной статистики ошибок прогноза / В. В. Кныш [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2008. № 1. С. 26–37. URL: http://мгфж.рф/images/files/2008/01/200801_03.pdf (дата обращения: 20.03.2019).
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2019; 35: 233-247
Dynamics of the Black Sea Upper Layer Based on Satellite Data: Gridded Altimetry versus High Resolution IR Images
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-3-233-247Abstract
Purpose. During more than 20 years, very detailed notions of the sea level variability in the World Ocean and its particular parts have been obtained based on satellite altimetry observations. Their advantage consists in possibility of a fairly rapid assessment of the surface currents’ velocities at synoptic scales. The alternative method for studying surface dynamics is estimation of the motions using a sequence of visible/infrared (IR) satellite images of the sea surface. The purpose of the present study is to compare the results obtained from application of two described methods used to analyze general circulation of the Black Sea surface layer.
Methods and Results. The structure of the current fields in the northwestern Black Sea in winter, 1999 is investigated using the results of analysis of the IR image sequence from the NOAA/AVHRR sensors, as well as the gridded sea level anomaly data (processing level L4) and the along-track measurements (level processing L3) from the Copernicus Marine Environment Monitoring Service. The surface currents’ velocities are estimated based on the sea level field, which is calculated using two versions of mean dynamic topography. To compare the gridded altimetry and the results of the image sequence processing, a simple procedure is proposed for reconstructing the sea level using the current velocities’ components.
The results of reconstructing the surface circulation features by two methods were compared and demonstrated, in particular, the anticyclonic eddy locations in the northwestern part of the Black Sea. It is noted that the locations of the eddy center in the sea level fields reconstructed from the altimetry data and by processing of the IR image sequence are different. Evolution of the eddy is investigated using the sea level anomaly data. It is shown that its motion is rather intermittent in time that can be a result of applying the procedure of optimal interpolation.
Conclusions. It is noted that the gridded satellite altimetry product from the CMEMS, being applied to the Black Sea basin, should be used with due regard for the provided information on the mapping errors.
References
1. Satellite Altimetry and Earth Sciences : A Handbook of Techniques and Applications / Eds. L.-L. Fu, A. Cazenave. San Diego : Academic Press, 2001. 463 p. (International Geophysics Series, vol. 69).
2. Fu L. L., Le Traon P.-Y. Satellite altimetry and ocean dynamics // Comptes Rendus Geoscience. 2006. Vol. 338, iss. 14–15. P. 1063–1076. https://doi.org/10.1016/j.crte.2006.05.015
3. Satellite altimetry-based sea level at global and regional scales / M. Ablain [et al.] // Surveys in Geophysics. 2017. Vol. 38, iss. 1. P. 7–31. https://doi.org/10.1007/s10712-016-9389-8
4. Morrow R., Le Traon P.-Y. Recent advances in observing mesoscale ocean dynamics with satellite altimetry // Advances in Space Research. 2012. Vol. 50, iss. 8. P. 1062–1076. https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.09.033
5. Xu Y., Li J., Dong S. Ocean circulation from altimetry: Progresses and challenges // Ocean Circulation and El Nino: New Research / Eds. J. A. Long, D. S. Wells. New York, USA : Nova Science Publishers, 2009. Chapter 3. P. 7197. URL: https://www.aoml.noaa.gov/phod/docs/OceanFromAltimetry-Xu_et_al.pdf (date of access: 30.04.2019).
6. Assimilating along-track altimetric observations through local hydrostatic adjustment in a Global Ocean variational assimilation system / A. Storto [et al.] // Monthly Weather Review. 2011. Vol. 139, no. 3. P. 738–754. https://doi.org/10.1175/2010MWR3350.1
7. Development of Black Sea nowcasting and forecasting system / G. K. Korotaev [et al.] // Ocean Science. 2011. Vol. 7, iss. 5. P. 629–649. https://doi.org/10.5194/os-7-629-2011
8. Seasonal, interannual, and mesoscale variability of the Black Sea upper layer circulation derived from altimeter data / G. Korotaev [et al.] // Journal of Geophysical Research. Vol. 108, iss. C4. 3122. https://doi.org/10.1029/2002JC001508
9. Kubryakov A. A., Stanichny S. V. Mesoscale eddies in the Black Sea from satellite altimetry data // Oceanology. Vol. 55, iss. 1. P. 56−67. https://doi.org/10.1134/S0001437015010105
10. Tsirkulyatsiya vod i kharakteristiki raznomasshtabnykh techenii v verkhnem sloe Chernogo morya po drifternym dannym / V. M. Zhurbas [i dr.] // Okeanologiya. 2004. T. 44, № 1. S. 34–48. URL: http://naukarus.com/tsirkulyatsiya-vod-i-harakteristiki-raznomasshtabnyh-techeniy-v-verhnem-sloe-chernogo-morya-po-drifternym-dannym (data obrashcheniya: 20.03.2019).
11. Béréziat D., Herlin I., Younes L. A generalized optical flow constraint and its physical interpretation // Proceedings IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. CVPR 2000 (Cat. No.PR00662). Hilton Head Island, SC : IEEE, 2000. Vol. 2. P. 487−492. doi:10.1109/CVPR.2000.854890
12. Data assimilation of satellite images within an oceanographic circulation model / E. Huot [et al.] // 2006 IEEE International Conference on Acoustics Speech and Signal Processing Proceedings. Toulouse, France : IEEE, 2006. P. II-II. doi:10.1109/ICASSP.2006.1660330
13. Retrieving ocean surface current by 4-D variational assimilation of sea surface temperature images / G. Korotaev [et al.] // Remote Sensing of Environment. 2008. Vol. 112, iss. 4. P. 1464−1475. https://doi.org/10.1016/j.rse.2007.04.020
14. Kubryakov A., Plotnikov E., Stanichny S. Reconstructing large- and mesoscale dynamics in the Black Sea region from satellite imagery and altimetry data – a comparison of two methods // Remote Sensing. 2018. Vol. 10, iss. 2. Article 239. https://doi.org/10.3390/rs10020239
15. DUACS DT2014: the new multi-mission altimeter data set reprocessed over 20 years / M.-I. Pujol [et al.] // Ocean Science. 2016. Vol. 12, iss. 5. P. 1067−1090. https://doi.org/10.5194/os-12-1067-2016
16. Bretherton F. P., Davis R. E., Fandry C. B. A technique for objective analysis and design of oceanographic experiments applied to MODE-73 // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1976. Vol. 23, iss. 7. P. 559−582. https://doi.org/10.1016/0011-7471(76)90001-2
17. Kubryakov A. A., Stanichny S. V. Reconstruction of mean dynamic topography of the Black Sea for altimetry measurements // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2012. Vol. 48, iss. 9. P. 973–979. https://doi.org/10.1134/S0001433812090095
18. Assimilyatsiya klimaticheskikh gidrologicheskikh dannykh v modeli Chernogo morya na osnove algoritma adaptivnoi statistiki oshibok prognoza / V. V. Knysh [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2008. № 1. S. 26–37. URL: http://mgfzh.rf/images/files/2008/01/200801_03.pdf (data obrashcheniya: 20.03.2019).
