Тема
ОКЕАН Физические
основы космического дистанционного зондирования поверхности океана в
микроволновом диапазоне.
(Гос. Регистрация № 01.20.0200163)
Научный руководитель д.ф.-м.н.,
профессор Е. А.Шарков.
Научные исследования настоящей темы (Гос. Регистрация № 01.20.0200163) проводятся в соответствии с пунктами 6.18 и 1.4.8 "Основных направлений фундаментальных исследований РАН" (постановление Президиума РАН от 1 июля 2003г.), а также в соответствии с Программами фундаментальных исследований РАН «Радиоэлектронные методы в исследованиях природной среды и человека» ( ОФН-14 ) и «Проблем радиофизики» (ОФН-13) .
В соответствии с решением
Отделения физических наук РАН на
отдел «Исследование Земли из космоса» ИКИ РАН ( отдел 55 )
была возложено выполнение двух
проектов: по Программе фундаментальных исследований РАН «Радиоэлектронные методы в исследованиях
природной среды и человека» (
ОФН-14) проекта «Радиоэлектронные дистанционные
активно-пассивные методы в
исследованиях окружающей среды шельфовой
зоны окраинных морей РФ» и по Программе фундаментальных исследований
РАН «Проблем радиофизики» (ОФН-13) проекта «Теоретическое и экспериментальное
исследование поверхностного волнения и течений в океане на основе данных
радиолокационного зондирования». Отдел
также проводил научные работы по конкурсам
инициативных проектов,
экпедиционных работ и ориентированным фундаментальным исследованиям
РФФИ : проекты РФФИ 06-05-64276, 06-05-64600,
06-05-65177, 06-05-65177, 06-05-08072, 05-02-16384, 06-02-31016 к, 05-05-08033
офи-а, 06-05-79098-офи, 05-05-64451,
04-02-16629 , а также по грантам
международных организаций INTAS 03-51-4987, INTAS 03-51-4789, the European communities Contract number 022868 и по Программе
«Перспектива» (ИКИ РАН ).
Космическое дистанционное зондирование акваторий Мирового
окена.
( пункты плана
научно-исследовательских работ 2006 г. №
4.2.1, 4.2.2, 4.2.5).
Силами коллектива ученых лаборатории № 554 «Аэрокосмической
радиолокации» проведен цикл взаимосвязанных
и взаимодополняющих исследований в рамках 6 научных проектов, посвященных
разработке физических и методических основ дистанционного зондирования Мирового
океана из космоса в микроволновом диапазоне в целях экологического мониторинга
природной среды.
В рамках международного проекта «Slicks
as Indicators of Marine Processes (SIMP). Novel Tools for Marine Remote Sensing of the Coastal Zone (INTAS
03-51-4987), рук. к.ф.-м.н. О.Ю. Лаврова)
разрабатывается новый подход к изучению процессов и явлений в прибрежной
зоне на основе отображения пленочных сликов
на космических радиолокационных и оптических изображениях.
На морской поверхности постоянно присутствуют пленки, обусловленные
биологическими источниками. Источники происхождения этих органических пленок пространственно
распределены по поверхности и моменты их возникновения распределены во времени.
Эти пленки обладают способностью избирательного гашения
гравитационно-капиллярной составляющей поверхностного волнения в силу
неравномерного распределения поверхностного натяжения в местах их скопления, и
тем самым уменьшают величину обратно рассеянного сигнала. Вовлекаясь в орбитальные движения, пленки
естественного происхождения, как бы «прорисовывают» вихри на радиолокационных
изображениях, преимущественно в условиях слабого приповерхностного ветра.
Благодаря присутствию на поверхности пленок поверхностно активных веществ,
средства радиолокации позволяют регистрировать не только синоптические вихри,
но и вихревые структуры малых размеров – менее 10 км.
Проведен анализ спутниковых
радиолокационных данных, полученных в российских секторах прибрежной зоны
Черного и Балтийского морей, подтверждена высокая информативность подобного
подхода для изучения динамических процессов в приповерхностном слое. Изучены
особенности прибрежной циркуляции, особое внимание уделено вихрям малых
масштабов, диаметрами до десятков километров, которые принадлежит важная роль в
локальной циркуляции, перемешивании и самоочищении прибрежных вод.
Фрагменты ASAR Envisat изображений, полученных в августе 2006 г. в
северо-восточной части Черного моря.
Два
циклонических вихря. Циклонический вихрь
с
диаметрами 3.75 км (A) and
3 км (B). с диаметром 2.5
км
Исследование вихревых процессов в
Черном и Балтийском морях проводилось также на основе данных спутникового
зондирования различных по своей
физической природе (активное и пассивное микроволновое зондирование, оптические
и ИК данные), пространственному разрешению и размерности.
На рисунке показан пример использования мультисенсорного подхода к изучению вихревой активности в прибрежной зоне Черного моря.
.a) Фрагмент(100x100 км) Envisat ASAR изображения, зарегистрированного 15.05.06 в 19:10
GMT. Вихревой
диполь визуализируется благодаря сликовым полосам на морской поверхности;
b) Температура
морской поверхности, восстановленная по данным сенсора MODIS Aqua (канал 11 мкм);
c)
Температура морской поверхности, восстановленная по данным сенсора AVHRR NOAA;
d)
Схематическое изображение развития вихревого диполя на протяжении двух дней
наблюдения
e) Данные о
мутности морской воды по данным MODIS Aqua (композиция семи
спектральных каналов);
f) Концентрация хлорофилла-а , восстановленная по
данным MODIS Aqua.
(Lavrova,
O., M. Mityagina, T. Bocharova, and M. Gade. Multisensor observation of eddies and mesoscale features in coastal
zones. Remote Sensing of the
В рамках работы по проекту INTAS-03-51-4987 “Слики как индикаторы морских процессов” создана коллекция изображений морской поверхности, полученных различными спутниковыми, самолетными и наземными приборами дистанционного зондирования. Коллекция оформлена в виде интернет сайта (http://www.iki.rssi.ru/simp/). Основное ее назначение – дать представление о том, каким образом наличие пленок биогенных и антропогенных поверхностно-активных веществ на морской поверхности может способствовать обнаружению и идентификации физических и биологических процессов и явлений в приповерхностном слое атмосферы и океана с помощью сенсоров, работающих в микроволновом и оптическом диапазонах. Это определяет структуру коллекции, рубриками которой стали физические и биологические явления, которые проявляются на изображениях посредством сликов. Для каждого изображения приводятся все имеющиеся сведения о параметрах и условиях съемки, включая метеорологические, гидрологические, батиметрические и другие сведения, данные совместных контактных и других дистанционных измерений, а также прилагаются ссылки на публикации, в которых это изображение обсуждается.
Структура базы данных
-
Bocharova Tatiana, Olga Lavrova,
Martin Gade, Stanislav Ermakov, David Woolf, Leonid Mitnik,
and José da Silva. SIMP: Slicks as
Indicators of Marine Processes. Proceedings of SEASAR 2006. Advances in SAR Oceanography
from Envisat and ERS Missions
В рамках проекта «Рассеяние электромагнитных волн на морской поверхности в присутствии поверхностных пленок инородных веществ» (РФФИ 04-02-16629, рук. к.ф.-м.н. Митягина М.И.) проведены экспериментальные и теоретические исследования рассеяния электромагнитных волн на морской поверхности в присутствии покрывающей ее пленки.
В результате радиолокационных и скаттерометрических экспериментов подтвержден факт существенного влияния длинноволновой компоненты поверхностного волнения на формирование рассеянного сигнала в области пленочного загрязнения.
По оптическим данным, полученным с вертолета, выявлены особенности растекания пленок нефтяных углеводородов на морской поверхности. Получены экспериментальные зависимости интенсивности отраженного сигнала от толщины пленки.
Для морской поверхности, покрытой пленкой инородных веществ, введено упрощенное модельное описание как для трехслойной среды с возможностями многократных отражений во внутреннем слое. Получено аналитическое решение относительно амплитуды рассеянного поля на малом фрагменте морской поверхности как функции частоты и поляризации падающей электромагнитной волны, угла падения, комплексной диэлектрической проницаемости морской воды и вещества пленки, толщины пленки. Показано, что малые вариации толщины пленки на морской поверхности могут приводить к вариациям интенсивности отражения в широком диапазоне, а также определять качественные различия в угловых зависимостях рассеяния на двух поляризациях.
Проведено численное моделирование реальной морской поверхности. Рассмотрена статистически неоднородная шероховатая поверхность, полученная в результате модуляции амплитуд коротких поверхностных волн длинными поверхностными волнами. Угловые зависимости, полученные в результате расчетов, оказались близки к экспериментальным. Проведены оценки влияния параметра крутизны длинных поверхностных волн на формирование обратно рассеянного сигнала в области пленочного загрязнения.
- Митягина
М.И., Чурюмов А.Н., Механизмы
формирования радиолокационного сигнала в области нефтяного загрязнения на
морской поверхности. Современные проблемы дистанционного зондирования земли из
космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды,
потенциально опасных явлений и объектов: Выпуск 3. Том2. М. Азбука-2000, 2006,
стр. 135-139.
- Митягина
М.И., Лаврова О.Ю., Бочарова Т.Ю. Радиолокационные наблюдения поверхностных
пленочных загрязнений в прибрежной зоне Черного моря// Тезисы докладов
Четвертой всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного
зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2006 г
- Mityagina M. and A.
Churumov, Radar backscattering at sea surface covered with oil films. Global
Developments in Environmental Earth Observation from Space. Ed. A. Marcal.
Millpress.
В ходе исполнения проекта Комплексный спутниковый мониторинг
нефтяных загрязнений шельфовой зоны Российских морей: физические основы и
создание информационной системы автоматической обработки (программа
«Перспектива», рук. к.ф.-м.н. О. Ю. Лаврова), направленному на решение задачи обнаружения и прогнозирования
распространения нефтяных загрязнений на основе совместного использования
разнородных данных спутникового зондирования морской поверхности, получены
следующие результаты:
Проведен сравнительный анализ пригодности РСА-изображений морской поверхности, полученных с различных носителей и при различных режимах съемки, для выявления нефтяных загрязнений на морской поверхности.
Проведен сравнительный анализ данных спутниковой радиолокации морской поверхности, зарегистрированных в 3 различных районах добычи и транспортировки нефти: Черное море (Геленджик-Новороссийск), Каспийское море (Нефтяные Камни) и Балтийское море (Куршская коса – Гданьский залив).
Систематизированы особенности растекания пленок инородных веществ на морской поверхности.
Определены основные критерии совместного анализа радиолокационных данных и данных оптического и ИК диапазонов с целью повышения надежности и достоверности выявления нефтяных загрязнений на основе спутниковой информации.
Разработан прообраз программного комплекса для полуавтоматического выделения на радиолокационных изображениях областей вероятных нефтяных загрязнений.
Предложенные методики протестированы в ходе работ по космическому мониторингу состояния вод прибрежной полосы российского сектора Азовского и Черного морей, проводимых совместно с ГУ НИЦ «Планета» в период с апреля по октябрь 2002 г.
На иллюстрации приведен пример сводной карты состояния морской поверхности, составленной на основе разнородных данных дистанционного зондирования морской поверхности из космоса.
- Литовченко К.Ц., Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Иванов А.Ю.,
Юренко Ю.И. Нефтяные загрязнения восточной части Черного моря: космический
мониторинг и подспутниковая верификация. // Исследование Земли из космоса,
2006, №6.
- Lavrova O, T Bocharova
and A Kosianoy, Satellite Radar Imagery of the coastal zone: Slicks and Oil
Spills. Global Developments in Environmental Earth Observation from Space. Ed.
A. Marcal. Millpress.
Начаты работы над проектом в рамках программы проблемно-ориентированных фундаментальных исследований «Разработка технологии оперативного контроля нефтяных загрязнений шельфовой зоны российских морей на основе комплексного использования спутниковой информации» (06-05-08072-офи, рук. к.ф.-м.н. О. Ю. Лаврова), целью которого является разработка новых технологий космического мониторинга и создание системы оперативного спутникового контроля прибрежной зоны российских морей, предназначенной для обнаружения и прогнозирования распространения нефтяных загрязнений.
Предложена
принципиальная схема технологии спутникового контроля нефтяных загрязнений в
прибрежной зоне на основе совместного использования разнородных данных
спутникового зондирования морской поверхности.
Краткая характеристика методов функционирования
системы оперативного спутникового контроля нефтяных загрязнений прибрежной зоны
российских морей и используемая информация:
- оперативный мониторинг нефтяных загрязнений на
поверхности моря по спутниковым радиолокационным изображениям (ASAR Envisat, SAR ERS-2, Radarsat-1);
- анализ метеорологической и спутниковой информации о высоте ветровых волн и
скорости ветра (Jason-1 QuikSCAT), необходимой для интерпретации радиолокационных
изображений и оценки скорости и направления дрейфа нефтяных пятен;
- ежедневный мониторинг поверхности моря по данным спутниковых изображений в
инфракрасном и оптическом диапазонах спектра (AVHRR NOAA, MODIS Terra/Aqua);
- восстановление поля поверхностных течений по последовательности спутниковых
инфракрасных и оптических изображений;
- прогноз скорости и направления поверхностных течений и траектории дрейфа
обнаруженных нефтяных пятен, выполненный по оперативной численной модели;
- обеспечение оперативного получения, обработки и обмена данными, подготовки
информационного продукта и, при необходимости, оперативное оповещение
кризисного центра и координация действий.
-
Кровотынцев
В.А., Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Островский А.Г. Космический мониторинг
загрязнения природной среды Азово-Черноморского бассейна. Тезисы докладов
Четвертой всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного
зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2006г.
-
Лупян Е.А.,
Лаврова О.Ю., Мазуров А.А., Митягина М.И., Пырков В.Н. Оценка загрязнений морской поверхности в
промысловых районах по спутниковых данным. Тезисы докладов Четвертой
всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования
Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2006 г.
В рамках проекта «Динамика вод в проливах: влияние атмосферных и океанических процессов» (РФФИ 06-05-65177, рук. к.ф.-м.н. Лаврова О.Ю.) проведены исследования, направленные на изучение влияния атмосферных процессов на формирование течений в Керченском проливе. Исследования основывались на анализе радиолокационных данных высокого разрешения, получаемых с помощью ASAR Envisat и ERS-2 SAR, а также данных сенсоров MODIS Aqua/Terra и AVHRR NOAA в оптическом и инфракрасном диапазонах. Восстановленные из спутниковых изображений поля поверхностной температуры, концентрации хлорофилла-а и восходящего излучения позволили «разделить» в Керченском проливе воды Азовского и Черного морей, различающиеся по своим характеристикам (температуре, солености, мутности, содержанию фитопланктона), и таким образом определить направление течения. Проведены оценки влияния скорости и направления ветра на формирование гидродинамических процессов в проливе. В ходе проведения подспутникового эксперимента проведены измерения скорости течений в районе Тузловской косы.
Фрагмент Envisat ASAR изображения Керченского пролива от
10.04.2006,
отображающее внутренние волны в атмосфере
-
Лаврова О.Ю.,
Митягина М.И, Спутниковый мониторинг динамики вод в Керченском проливе //
Тезисы докладов Четвертой всероссийской конференции «Современные проблемы
дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября
2006 г.
-
Lavrova
Olga Yu., Konstantin D. Sabinin, Tatyana Yu. Bocharova. Water dynamics in straits: impact of
atmospheric and oceanic processes. COSPAR Scientific Assembly 2006 Abstracts.
На основе данных дистанционного зондирования, полученных с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой, установленных на европейских спутниках ERS-1/2 и Envisat, проведено исследование возможностей уверенного выявления судов на радиолокационных изображениях морской поверхности. В результате анализа полученного материала были выявлены зависимости проявления крупно- и среднетоннажных судов от ряда факторов (параметры съемки, состояние морской поверхности, метеоусловия и пр.). Были определены основные факторы, затрудняющие детектирование судов на РЛИ (сильный ветер и волнение), а также указаны оптимальные параметры проведения радиолокационной съемки (ASAR Envisat в узкой полосе обзора при углах наклона зондирующего луча более 20° с применением кросс-поляризации (HV или VH).
Пример влияния поляризации
на возможность выявления судов на радиолокационных изображениях. Фрагмент
изображения Envisat ASAR
от 27.08.2005, 19:13 UTC.
а) ВВ -поляризация; б)
ВГ-поляризация
-
Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Щербак С.С. Возможности
спутниковой радиолокации для решения задачи обнаружения судов. В сборнике: Современные
проблемы дистанционного зондирования земли из космоса: Физические основы,
методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов: Выпуск 3. Том 2. М. Азбука-2000, 2006, с. 106-112.
-
Lavrova O., M. Mityagina, T.
Bocharova, V. Pyrkov, S. Shcherbak, A. Zlatopolskiy Possibilities and difficulties of oil spill and ship detection from
space. COSPAR Scientific Assembly 2006 Abstracts.
Проект «Радиоэлектронные дистанционные
активно-пассивные методы в
исследованиях окружающей среды шельфовой
зоны окраинных морей РФ» ( ОФН-14).
( пункты плана научно-исследовательских работ 2006 г.
№ 4.2.4 и 4.2.6).
Основные цели проекта:
развитие теоретических моделей, анализ физических механизмов, разработка и применение радиофизических дистанционных активно-пассивных методов измерений и алгоритмов обработки натурных и дистанционных данных в целях выявления закономерностей и особенностей проявлений внутриокеанических, атмосферных процессов и антропогенных воздействий на взволнованной морской поверхности шельфовой зоны окраинных морей РФ.
Задачи, поставленные на 2006 год:
1. Анализ результатов
оптического дистанционного зондирования и их физическая интерпретация процесса обрушения гравитационных волн и их пространственных
характеристик в условиях
неполного разгона и полного разгона
морского волнения
2. Подготовка и
проведение натурных испытаний
модернизированного комплекса
микроволновых радиотепловых систем на
поворотно-сканирующей платформы «Галс» и
специализированного волнографического
и ветрового комплекса. Исследование процессов влаго и тепло обмена в системе океан-атмосфера радиотепловыми микроволновыми комплексами.
Проведение детальных лабораторных экспериментов на базе искусственной шероховатой
поверхности.
Исследование пространтсвенно-временных характеристик полей обрушений гравитационных океанических волн ( пункт 4.2.4 )
В качестве результата исследовательской работы по настящему пукту
плана (научный руководитель, д.ф.м.н.,
профессор Шарков Е. А.) выполнен аналитический обзор состояния дистанционных
исследований одного из важнейших нелинейных элементов динамики морского волнения – процесса
обрушения гравитационных волн и последующие за ним эволюция и динамика дисперсных пенных систем различных классов. Рассмотрены вопросы
методологии многомасштабных оптических
дистанционных измерений ( методики изучения индивидуальных обрушений и пенных полей; методики изучения
мезомасштабных точечных дискретных случайных полей обрушений); указаны достоинства и ограничения различных
дистанционных комплексов для выявления пространственно- временных особенностей полей
обрушения гравитационных волн и дисперсных систем с аэроносителей различных
классов. Подчеркнута роль
российских исследователей в
экспериментальном обнаружении целого
ряда принципиальных результатов, в частности, о том, что поле индивидуальных обрушений свободных
гравитационных волн является строго двумерным пуассоновским процессом
(марковское свойство «отсутствие последействия» ). Указанное свойство
обусловлено тем, что нелинейная стадия процесса обрушения формируется за
времена, существенно меньшие, чем период обрушающейся гравитационной волны. Показано, что широко используемая модель
«выбросов» за фиксированный уровень
случайного гауссового поля и концепция «порогового» механизма в корне
противоречат экспериментальным данным и принципиально не могут быть
использованы для исследования процессов пространственно-временных характеристик
полей обрушения гравитационных волн. Спектральные свойства радиоизлучения
существенно зависят от геометрической
микроструктуры – может быть выделены в пенных системах две контрастные структуры
- эмульсионный монослой и сотовая структура.
Влияние эмульсионного монослоя на тепловое излучение системы в мм и см
диапазонах электромагнитных волн
является доминирующим. Наличие богато структурированной иерархии сотового слоя пены не оказывает на излучательные
характеристики существенного влияния. Натурные эксперименты, выполненные с
помощью радиометра- доплеровского скаттерометра показали, что
обратно-рассеянный сигнал может быть сформирован только капельно-брызговой дисперсной фазой, возникающей
над пенной массой. Работа выполнена при
поддержке программы фундаментальных исследований РАН «Радиоэлектронные методы в
исследованиях природной среды и
человека» (ОФН-14)..
Экспедиционная программа «Кацивели-2006» : экспериментальные
и наладочные работы по модернизации дистанционно-контактного пункта наблюдения
( п. Кацивели, Крым, Украина ) (пункт
4.2.6).
В рамках темы «Океан» выполнена подготовка к натурным экспериментам на океанографической платформе вблизи Южного берега Крыма. Проведена модернизация поворотно-сканирующей радиометрической платформы (ПСРП) «Траверс». Модернизирована программа управления платформой. Увеличена стабильность канала передачи данных с платформы на компьютер регистрации. На ПСРП установлена всепогодная Web-камера, которая позволит автоматизировать данные визуального наблюдения текущих метеособытий в процессе измерений. Модернизирован радиометр-поляриметр R15. По причинам, связанным с обострением межгосударственных отношений между РФ и Грузией, были блокированы водные транпортные связи между г. Новороссийском и г. Феодосия. В связи с чем полностью подготовленная к полевым экспериментам дистанционная и контактная аппаратура не была доставленна своевременно на стационарную океанографическую платформу ЭО МГИ НАНУ, расположенной у южного берега Крыма вблизи п. Кацивели. По взаимной договоренности комплесный эксперимент перенесен на весну 2007 года.
Проводилась
обработка данных международного научного проекта CAPMOS’05 (Combined Active/Passive Microwave Measurements
of Wind Waves for Global Ocean Salinity Monitoring).
Проект объединяет 8 научных групп из 4 стран: России, Украины, Италии и Дании.
В его рамках в период с 1 по 21 июня 2005 г. на стационарной океанографической
платформе ЭО МГИ НАНУ, расположенной у южного берега Крыма вблизи п. Кацивели, проводились
комплексные измерения характеристик взаимодействия океана и атмосферы.
Измерения производились непрерывно 24 часа в сутки, за исключением
технологических перерывов на ремонт и обслуживание аппаратуры. Экспериментальные
данные регистрировались в цифровой форме на персональных компьютерах.
Эксперимент проводился в период гидрологической весны, к которому в Черном море
относят апрель – июнь.
|
|
|
Рис. 1 Спектр кривизны |
На рисунке
представлен спектр кривизны 
, найденный в результате предварительного анализа данных
натурного эксперимента CAPMOS’05.
В качестве входных данных при решении задачи восстановления параметров спектра
использованы результаты угловых измерений радиояркостных контрастов,
соответствующих временному интервалу 16:21 – 16:43 (8 июня). В результате
усреднения угловых зависимостей радиояркостных контрастов для 12 азимутальных
углов (в соответствии с разработанной методикой решения обратной задачи с
помощью метода Монте-Карло) время накопления при получении отдельно взятого
значения 
достигало величины 
с. Это позволило устранить влияние шумовых помех и случайных
ошибок на результаты восстановления .
Полученная
форма спектра имеет четко выраженный максимум =4,5×10-3 при 
15,0 рад/см и
практически нулевые значения в области 
рад/см. Если наличие пика в спектре ГКВ является
предсказуемым (по данным работ других авторов), то нулевые значения в указанном
интервале не имеют физического обоснования.
Для сравнения,
на рисунке представлен спектр , рассчитанный для модели [Apel et. all,
1994] для скорости ветра 8,0 м/с. Это значение 
соответствует времени
проведения измерений. Сравниваемые формы спектров лишь отдаленно повторяют друг
друга. Однако, как и модельный, спектр, полученный в результате решения
обратной задачи, имеют максимум одинаковой амплитуды на близких частотах.
Следует отметить, что спектр [Apel et. all, 1994] является
полуэмпирическим и , соответственно, не может считаться эталонным. Однако его
форма наиболее близка к полученной нами и, кроме того, предсказываемые по этой
модели значение дисперсии уклонов крупных волн (для всех 
рад/см) всего на 15% отличается от определенного
экспериментально.
Для
вычисления турбулентных потоков тепла, импульса, влаги и углекислого газа в
эксперименте CAPMOS’05
применялся прямой метод, который требует небольшого количества теоретических
допущений и работает над различными типами подстилающей поверхности. Потоки
вычисляются по ковариациям между пульсациями измеряемых параметров. Поток
считается положительным, если он направлен из океана в атмосферу. Для
диагностики качества прямых измерений проводился спектральный анализ измеряемых
величин.
а)
б)
Рис. 2. Температура воды и
воздуха (а) и поток тепла (б) за все время наблюдений
На Рис. 2 представлены температура воды и воздуха, а также рассчитанный прямым методом турбулентный поток тепла за все время измерений. Резкое уменьшение потока 2-3 июня связано, прежде всего, с локальным апвелингом. Большое абсолютное значение потока связано со значительной (до 25 м/с) скоростью ветра. В период 17-18 июня при отрицательной разнице температур вода-воздух наблюдался положительный поток тепла. Вероятно, это связано с образованием в результате дневного прогрева теплой поверхностной пленки, что подтверждается данными дистанционного зондирования в ИК диапазоне. В настоящее время проводится корреляционная обработка данных прямых измерений потоков тепла и импульса с данными микроволнового радиометрического зондирования морской поверхности.
В рамках работ по проекту РФФИ
05-05-08033-офи_а было выполнено проектирование и изготовление системы
приема данных, обработки и визуализации радиометрической информации для
прототипа спутникового микроволнового комплекса. Находится в завершающей стадии
изготовление прототипа перспективного космического радиометрического комплекса
наблюдения океана, пригодного для установки на самолете (вертолете, дирижабле)
или для береговых измерений.
Проект
«Теоретическое
и экспериментальное исследование поверхностного волнения и течений в океане на
основе данных радиолокационного зондирования»
( ОФН-13).
( пункт плана научно-исследовательских работ 2006 г.
№ 4.2.3)
Основные
цели проекта:
1) получение экспериментальных данных для
разработки новых моделей, описывающих физические механизмы рассеяния
электромагнитных волн морской поверхностью при настильных углах зондирования;
2) определение по результатам радарных измерений динамики
волновых систем, возникающих на морской поверхности в различных метеоусловиях.
В рамках Программы фундаментальных исследований ОФН РАН «Проблемы радиофизики» (ОФН-13) раздел «Физические основы и методы радиолокационной диагностики динамических процессов в верхнем слое океана.» ( науч. руководитель от ИКИ РАН к.ф.м.н. М.Г. Булатов ) была выполнена серия исследований доплеровских спектров сигналов, рассеянных морской поверхностью при настильных углах зондирования.
Основные
экспериментальные исследования по перечисленным выше направлениям были
проведены в сентябре - октябре 2006 г. на базе Южного отделения Института океанологии РАН. В настоящее
время проводится обработка данных. Предварительный анализ позволяет выделить
следующие основные результаты:
1- проведена модернизация комплекса приема и обработки радиолокационной информации, позволившая вести запись радиолокационного сигнала с частотой опроса 200МГц и потенциально обеспечившая пространственное разрешение радиоизображений морской поверхности порядка 0.75м Радиоизображения морской поверхности, полученные с помощью модернизированного комплекса, позволили вычислить распределения фазовых и групповых скоростей нелинейных волн и волновых пакетов, исследовать их эволюцию в пространстве и времени в зависимости от условий волнообразования,
2- разработана и экспериментально проверена методика формирования подводного поток газовых пузырьков малых размеров,
3- экспериментально установлено, что поток газовых пузырьков малых размеров создает при всплытии на морскую поверхность радиояркостные и радиолокационные контрасты порядка 5-7К и 7-10 дБ, соответственно,
4- экспериментально установлено, что при возмущении морской поверхности потоком пузырьков малых размеров наблюдается изменение формы Доплеровского спектра рассеянного сигнала, связанного с изменением параметров волнения в гравитационно-капиллярной части спектра,
5- При исследовании Доплеровских спектров сигналов, рассеянных морской поверхностью при настильных углах зондирования было установлено, что когда волнение достаточно развито и высоты волн достигают определенного значения, то при угле скольжения, равном или меньшем 50 Доплеровские спектры G( fD ) имеют два максимума на частотах fD1 ) и fD2 ( fD1< fD2). В полученных в этих же условиях волнообразования пространственно-частотном спектре радиоизображения радара X- диапазона наблюдаются гармоники нелинейных поверхностных волн, а также компоненты спектра, обусловленные образованием групп волн.
Для всех двумодовых спектров, полученных на вертикальной
поляризации, выполняется соотношение: G( fD1 ) > G(fD2) ,
тогда как на горизонтальной
поляризации картина обратная: G( fD1 ) < G(fD2 ). При
неустановившемся и затухающем волнении спектры с двумя максимумами не
наблюдались.В работе показано, что наблюдаемые в эксперименте особенности
спектров, возникающие при наличии на поверхности крутых обрушающихся нелинейных
волн большой амплитуды, могут быть объяснены а) доминированием различных
механизмов обратного рассеяния (резонансного и нерезонансного) на разных
стадиях обрушения гравитационных волн, б) наличием затенений части зондируемой поверхности.
Типичные зависимости спектральных плотностей рассеянных сигналов показаны на рис.1.
Рис.1.
Типичные зависимости спектральных плотностей рассеянных сигналов от угла
скольжения. ( пунктирная линия - горизонтальная
поляризация, сплошная линия -
вертикальная поляризация зондирующего сигнала, цифрами I, II, III обозначены результаты, полученные в условиях
развитого, затухающего и нарастающего волнения )
6- проведены предварительные исследования Доплеровских спектров сигналов, рассеянных обрушивающимися волнами при настильных углах зондирования, в результате которых показано что:
1) обрушивающиеся волны создают главный вклад в рассеяние на быстрых рассеивателях,
2) обрушивающиеся волны есть главный источник деполяризации рассеянных сигналов,
3) обрушивающиеся волны приводят к формированию формы среднего доплеровского спектра в виде распределений Лоренца,
4) малое число «медленных», брегговских рассеивателей ( для которых форма спектра – кривая Гаусса) также генерируются как обрушениями волн, так и обнаруживаемыми после обрушения волны продуктами распада.
Публикации за 2006г по проектам и
программам п. 4.2.3 :
М.Г. Булатов, М.Д. Раев, Е.И. Скворцов, Радиолокационные
наблюдения нелинейных волновых процессов в прибрежной зоне // Третья
всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного
зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 14-17 ноября 2005 г.Сборник
научных статей, с.50-55.
М.Г. Булатов,
М.Д. Раев, Е.И. Скворцов, Исследование динамики нелинейных волн по
пространственно-частотным спектрам радиоизображений морской поверхности //
Исследования Земли из космоса, 2006, (2), 64-70
М.А.
Шерменева; И.В. Шуган, Расчет
наката волн на пологий откос // Письма в ЖТФ, 32(2),
2006, с.33