Модернизация измерительного комплекса «Сигма-1» для исследования циркуляций Ленгмюра и обрушений поверхностных волн в Черном море

М. И. Павлов*, А. М. Чухарев

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

* e-mail: mixail.pavlov.1993@mail.ru

Аннотация

Целью статьи является описание модернизации измерительного комплекса «Сигма-1», проведенной для повышения качества исследования механизмов обрушения волн и циркуляции Ленгмюра на стационарной океанографической платформе Морского гидрофизического института. Рассматривается влияние собственных колебаний прибора и изменения положения его корпуса на измеренные компоненты вектора скорости течения. Собственные колебания прибора регистрируются системой контроля положения, состоящей из микроконтроллерного устройства и набора датчиков: акселерометров, магнитометра. Модельное исследование допустимых вращений и максимальных углов наклона показало, что при отсутствии датчика угловых скоростей нескорректированные измеренные компоненты вектора скорости течения могут существенно отличаться от фактических. Для учета влияния собственных колебаний прибора на измеряемые гидрофизические характеристики была разработана система контроля положения, оснащенная модулем MPU-9250 с акселерометром, гироскопом и магнитометром и микроконтроллерной системой Arduino Nano. В среде программирования Arduino IDE на основании теории расчета пространственных углов была разработана программа коррекции измеренных компонент пульсаций скорости для MPU-9250. Подобрана оптимальная программа для калибровки магнитометра – Magneto – как наиболее точная и удовлетворяющая условиям применения на океанографической платформе. Описаны основные этапы калибровки датчиков. Измеренные в системе координат комплекса «Сигма-1» компоненты скорости течения корректируются с учетом значений углов наклона, угловых и линейных скоростей, расчет выполняется по методу eddy correlation. Разработанная система проверена на специализированном оборудовании в лабораторных условиях и имеет следующие характеристики: в диапазоне –30…+30° максимальная погрешность по дифференту составляет 0.31°; максимальная погрешность по крену – 0.42°; максимальная погрешность компаса – 2.09°. Достигнутые характеристики позволяют заметно повысить точность измерения вектора скорости и достоверность оценки влияния различных физических процессов на вертикальный обмен.

Ключевые слова

циркуляции Ленгмюра, обрушения волн, контактные методы, навигационная система, калибровка МЭМС, коррекция измерений, eddy correlation, MPU-9250, _AK_8963C.

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № 0827-2019-0003.

Для цитирования

Павлов М. И., Чухарев А. М. Модернизация измерительного комплекса «Сигма-1» для исследования циркуляций Ленгмюра и обрушений поверхностных волн в Черном море // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2021. № 1. С. 129–148. EDN BIOSYP. doi:10.22449/2413-5577-2021-1-129-148

Pavlov, M.I. and Chukharev, A.M., 2021. Improvement of the SIGMA-1 Measuring Complex for Studies of Langmuir Circulations and Surface Wave Breaking in the Black Sea. Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea, (1), pp. 129–148. doi:10.22449/2413-5577-2021-1-129-148 (in Russian).

DOI

10.22449/2413-5577-2021-1-129-148

Список литературы

  1. Монин А. С., Озмидов Р. В. Океанская турбулентность. Л. : Гидрометеоиздат, 1981. 320 с.
  2. Apparatus for atmospheric surface layer measurements over waves / M. A. Donelan [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1999. Vol. 16, iss. 9. P. 1172–1182. https://doi.org/10.1175/1520-0426(1999)0161172:AFASLM2.0.CO;2
  3. Oceanic turbulence dissipation measurements in SWADE / W. M. Drennan [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 1996. Vol. 26, iss. 5. P. 808–815. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1996)0260808:OTDMIS2.0.CO;2
  4. Donelan M. A., Drennan W. M., Katsaros K. B. the air–sea momentum flux in conditions of wind sea and swell // Journal of Physical Oceanography. 1997. Vol. 27, iss. 10. P. 2087–2099. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1997)0272087:TASMFI2.0.CO;2
  5. Gemmrich J. R., Farmer D. M. Near-surface turbulence and thermal structure in a wind-driven sea // Journal of Physical Oceanography. 1999. Vol. 29, iss. 3. P. 480–499. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1999)0290480:NSTATS2.0.CO;2
  6. Gemmrich J. R., Farmer D. M. Observations of the scale and occurrence of breaking surface waves // Journal of Physical Oceanography. 1999. Vol. 29, iss. 10. P. 2595–2606. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1999)0292595:OOTSAO2.0.CO;2
  7. Gemmrich J. R., Farmer D. M. Near-surface turbulence in the presence of breaking waves // Journal of Physical Oceanography. 2004. Vol. 34, iss. 5. P. 1067–1086. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2004)0341067:NTITPO2.0.CO;2
  8. Three-Dimensional Flow in the Upper Ocean / R. A. Weller [et al.] // Science. 1985. Vol. 227, iss. 4694. P. 1552–1556. doi:10.1126/science.227.4694.1552
  9. Weller R. A., Price J. F. Langmuir circulation within the oceanic mixed layer // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1988. Vol. 35, iss. 5. P. 711747. https://doi.org/10.1016/0198-0149(88)90027-1
  10. Zedel L., Farmer D. Organised structures in subsurface bubble clouds: Langmuir circulation in the open ocean // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1991. Vol. 96, iss. С5. P. 8889–8900. doi:10.1029/91JC00189
  11. Thorpe S. A. Langmuir circulation // Annual Review of Fluid Mechanics. 2004. Vol. 36. P. 55–79. doi:10.1146/annurev.fluid.36.052203.071431
  12. Measurements of turbulence in the upper-ocean mixing layer using autosub / S. A. Thorpe [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2003. Vol. 33, iss. 1. P. 122145. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2003)0330122:MOTITU2.0.CO;2
  13. Eddy-Correlation Measurements of Air-Sea Fluxes from a Discus Buoy / F. Anctil [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1994. Vol. 11, iss. 4. P. 1144–1150. https://doi.org/10.1175/1520-0426(1994)0111144:ECMOAS2.0.CO;2
  14. Измерительный комплекс «Сигма-1» для исследования мелкомасштабных характеристик гидрофизических полей в верхнем слое моря / А. С. Самодуров [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2005. № 5. С. 60–71.
  15. Дыкман В. З., Ефремов О. И. Электромагнитный датчик для измерения флуктуаций вектора скорости течения // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : МГИ, 2000. С. 318–324.
  16. Чухарев А. М. Применение измерительного комплекса «Сигма-1» для исследования турбулентности на океанографической платформе // Экологическая безопасность и комплексное использование прибрежной и шельфовой зон моря. Севастополь : МГИ, 2010. Вып. 21. С. 231–238.
  17. Farhang-Boroujeny B. Adaptive filters: theory and applications. New York : John Wiley & Sons, 1999. 548 p.

Текст статьи

Русскоязычная версия (PDF)

Англоязычная версия (PDF)