В рамках программы Десятилетия океана "Система бесшовного прогнозирования океана и климата (OSF)", Первый институт океанографии (FIO) Министерства природных ресурсов Китая создал поверхностный дрейфующий буй нового поколения, оснащенный Глобальной навигационной спутниковой системой (ГНСС). Будучи чрезвычайно недорогим, высокоточным и интеллектуальным, разработанный поверхностный дрейфующий буй GNSS предоставляет значительные возможности для улучшения наблюдения и мониторинга океана.
Поверхностный дрейфующий буй нового поколения, созданный профессором Фангли Цяо, главным исследователем программы OSF и заместителем генерального директора FIO, и его командой, использует свободные сигналы со спутников GNSS для точного получения 10 важных переменных: географического положения, времени, высоты, периода и направления поверхностных волн, скорости и направления поверхностного течения, температуры поверхности моря, солености поверхности моря и содержания водяных паров в атмосфере.
Это достижение опирается на многолетние фундаментальные исследования профессора Цяо, также члена Консультативного совета Десятилетия океана, который показал, как мелкомасштабные океанические волны играют решающую роль в крупномасштабной циркуляции океана и климатической системе, модулируя перемешивание верхнего слоя океана и потоки воздух-море. По этой причине наблюдения за поверхностными океаническими волнами имеют жизненно важное значение как сами по себе, так и для крупномасштабной циркуляции океана и глобального изменения климата.
За всю историю наблюдений за Мировым океаном произошли три крупные революции. В 1978 году первый спутник для наблюдения за цветом океана впервые сделал возможным крупномасштабное синхронное наблюдение за океаном. В 1980-х годах началось развитие тропических буйковых сетей, и была создана глобальная тропическая крупномасштабная сеть непрерывных наблюдений с фиксированными точками, что значительно улучшило возможности мониторинга и прогнозирования Эль-Ниньо - Южного колебания. В начале XXI века была запущена глобальная инициатива по наблюдению за океаном - Array for Real-time Geostrophic Oceanography (Argo). Сегодня в Мировом океане работает около 4 000 буев Арго, которые проводят вертикальные наблюдения примерно каждые 10 дней и делают реальным трехмерный мониторинг океана в режиме реального времени. Программа Арго также является частью Глобальной системы наблюдений за океаном (ГСНО), возглавляемой Межправительственной океанографической комиссией ЮНЕСКО. Высокая стоимость остается узким местом и серьезной проблемой наблюдений за океаном, хотя были предприняты огромные усилия и достигнут ряд технических достижений.
С 2016 года, благодаря углубленному морскому междисциплинарному сотрудничеству и использованию спутников GNSS, включая BeiDou, команда профессора Цяо совершила технический прорыв в разработке аппаратуры буев и обработке данных. К ним относятся недорогая одиночная станция ГНСС, высокоточное определение скорости и положения в режиме реального времени, инверсия в режиме реального времени множества элементов, включая элементы волн и содержание водяного пара, расширение и захват широкого спектра волн, передача и управление многоэлементным кодированием, интегрированное с короткой связью (SMC) спутника BeiDou, оптимизация маломощных и высокопроизводительных алгоритмов, миниатюризация буев и оптимизация волнообразования, и многое другое. Эти достижения позволили значительно повысить точность инверсии, избежать затрат на услуги прецизионной дифференциальной коррекции и значительно снизить нагрузку на связь.
Результаты нескольких полевых экспериментов и сравнений показывают, что точность этого революционного нового буя находится на одном уровне с другими широко используемыми приборами для измерения волн, такими как Waverider, с разницей всего в сантиметр. Стоимость наблюдений также была значительно снижена: стоимость буя GNSS на 90 % ниже. Другими словами, стоимость наблюдений с новым буем ГНСС составляет менее 10 % от стоимости нынешней системы.
Этот финансовый аспект особенно актуален, поскольку он препятствует развертыванию всеобъемлющей системы наблюдений за океаном. Несмотря на заметный прогресс, достигнутый за последние 45 лет, наблюдения за океаном по-прежнему сталкиваются с такими проблемами, как высокая стоимость и неполный охват, что напрямую препятствует научному пониманию океанических процессов и способности прогнозировать состояние океана и климата. Действительно, верхние слои океана и нижние слои атмосферы не только тесно связаны с деятельностью человека в море, но и имеют ключевое значение для понимания изменения климата.
Основываясь на своих первоначальных результатах, профессор Цяо и его команда разрабатывают четыре типа буев ГНСС. Буи ГНСС типа А - это базовая конфигурация, которая позволяет одновременно получать 10 вышеперечисленных переменных. GNSS-буи типа B способны фиксировать еще пять атмосферных переменных, а именно: скорость и направление ветра, температуру, влажность и давление воздуха. Развертывание большого количества буев ГНСС типа В позволит в реальном времени наблюдать за глобальными крупномасштабными потоками воздух-море, а вклад поверхностных волн будет точно учитываться при расчете потоков воздух-море. ГНСС-буи типа C могут измерять температуру и соленость морской воды на глубине от 0 до 300 метров в дополнение к традиционным 10 параметрам, а также точно фиксировать внутренние волны океана благодаря программному обеспечению для управления с использованием искусственного интеллекта. В то же время GNSS-буи типа D, помимо обычных 10 параметров, могут измерять подводный шум, что может использоваться для мониторинга морских млекопитающих и защиты морской экологии.
Новый ГНСС-буй, разработанный FIO, является интеллектуальным, что означает, что он может автоматически проводить интенсивные наблюдения в любое время в зависимости от потребностей, таких как зоны больших волн, внутренние волны, опасные явления в океане и многое другое. В будущем, благодаря дальнейшему технологическому прорыву, он также сможет обнаруживать вихревые потоки и точно измерять глобальные уровни приливов и отливов, обеспечивая безопасность уязвимых прибрежных сообществ по всему миру.
***
Читайте полный текст статьи:
Лю и др. 2022. Точные измерения поверхностных волн океана в реальном времени с использованием вариометрического подхода GNSS. Международный журнал прикладных наблюдений Земли и геоинформации, 115, 103125. https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103125
За дополнительной информацией, пожалуйста, обращайтесь:
Д-р Ли Ли, директор департамента международного сотрудничества; старший научный сотрудник Первого института океанографии, Министерство природных ресурсов
li.li@fio.org.cn