Перспективы радиолокационного мониторинга скорости ветра, спектров ветровых волн и скорости течения с океанографической платформы

Ю. Ю. Юровский, В. В. Малиновский, А. Е. Кориненко*, Л. А. Глухов, В. А. Дулов

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

* e-mail: korinenko.alex@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель статьи – представить перспективы радиолокационного мониторинга морской среды с океанографической платформы, расположенной вблизи поселка Кацивели на Южном берегу Крыма на Черноморском гидрофизическом подспутниковом полигоне Морского гидрофизического института РАН. Работа радиолокационной станции с платформы в Кацивели позволила бы регистрировать в непрерывном режиме кругового обзора поля скорости ветра, спектров ветровых волн и вектора скорости течения в акватории радиуса 1 км с разрешением до 100 м. Описаны подходы и проблемы при оценке полей скорости ветра, спектров ветровых волн и вектора скорости течения с помощью навигационного радара. Показано, что для восстановления перечисленных полей по сигналу радара пригодны уже известные методы, развитые в спутниковой и корабельной радиолокации, если воспользоваться результатами исследований обрушений ветровых волн, проведенных с платформы в Кацивели. Апробация подходов выполнена осенью 2022 г. с платформы в Кацивели на основе радиолокационных станций MRS-1011 (Х-диапазон, длина электромагнитной волны 3 см) и MRS-3000 (Ка-диапазон, длина электромагнитной волны 8 мм). Обе станции имеют мощностные и доплеровские каналы, горизонтальные поляризации излучения и приема и осуществляют круговой обзор акватории под скользящими углами к морской поверхности, не превышающими 10°. Специализированный эксперимент включал работу радара одновременно со штатным оборудованием платформы, а обработка данных основывалась на описанных алгоритмах восстановления. В результате эксперимента показано, что восстановленные частотные спектры ветровых волн согласуются со спектрами, измеренными традиционным струнным волнографом, восстановленные пространственные поля ветра и течений отвечают традиционным представлениям, причем поле течений согласуется на качественном уровне с данными доплеровского канала. Данные, полученные с помощью радиолокационных станций, демонстрируют возможности восстановления полей скорости ветра, векторов скорости течения и частотных спектров волнения в акватории радиусом около километра с пространственным разрешением в десятки метров. Радиолокационный мониторинг с платформы в Кацивели предоставляет техническую базу для исследований взаимодействия океана и атмосферы, взаимодействия ветровых волн и течений, для отработки и валидации спутниковых технологий и региональных моделей морской среды.

Ключевые слова

радиолокатор, морская поверхность, удельная эффективная площадь рассеяния, доплеровский спектр, скаттерометрия, спектры волн, скорость течения, натурные измерения, мониторинг, океанографическая платформа

Благодарности

Работа выполнена в рамках госзадания МГИ РАН по темам № FNNN-2021-0005 и № FNNN-2021-0004.

Для цитирования

Перспективы радиолокационного мониторинга скорости ветра, спектров ветровых волн и скорости течения с океанографической платформы / Ю. Ю. Юровский [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2023. № 3. С. 40–54. EDN OFYNOG.

Yurovsky, Yu.Yu., Malinovsky, V.V., Korinenko, A.E., Glukhov, L.А. and Dulov, V.A., 2023. Prospects for Radar Monitoring of Wind Speed, Wind Wave Spectra and Velocity of Currents from an Oceanographic Platform. Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea, (3), pp. 40–54.

Список литературы

  1. Validation of the Satellite Method for Measuring Spectra of Spatially Inhomogeneous Sea Waves / V. Bondur [et al.] // Journal of Marine Science and Engineering. 2022. Vol. 10, iss. 10. 1510. doi:10.3390/jmse10101510
  2. Retrieval of the statistical characteristics of wind waves from the width and shift of the Doppler spectrum of the backscattered microwave signal at low incidence angles / M. Panfilova [et al.] // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2020. Vol. 58, iss. 3. P. 2225–2231. doi:10.1109/TGRS.2019.2955546
  3. Ka-Band Doppler Scatterometry: A Strong Wind Case Study / Y. Yurovsky [et al.] // Remote Sensing. 2022. Vol. 14, iss. 6. 1348. doi:10.3390/rs14061348
  4. Статистические характеристики обрушений и их связь с диссипацией энергии ветровых волн по данным натурных измерений / А. Е. Кориненко [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 5. С. 514–531. doi:10.22449/0233-75842020-5-514-531
  5. Малиновский В. В., Кориненко А. Е., Кудрявцев В. Н. Эмпирическая модель радиолокационного рассеяния в диапазоне длин волн 3 см на морской поверхности при больших углах падения // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2018. Т. 61, № 2. С. 110–121. EDN XSAOHB.
  6. Мониторинг прибрежной зоны на Черноморском экспериментальном подспутниковом полигоне / Под ред. В. А. Иванова, В. А. Дулова. Севастополь : ЭКОСИГидрофизика, 2014. 526 с. EDN TZMZJT.
  7. Ермошкин А. В., Баханов В. В., Богатов Н. А. Развитие эмпирико-теоретической модели рассеяния радиолокационных сигналов взволнованной водной поверхностью при скользящих углах наблюдения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12, № 4. С. 51–59. EDN UITZQL.
  8. Real-Time ocean wind vector retrieval from marine radar image sequences acquired at grazing angle / R. Vicen-Bueno [et al.] // Journal Atmospheric and Oceanic Technology. 2013. Vol. 30, iss. 1. P. 127–139. doi:10.1175/JTECH-D-12-00027.1
  9. Coastal Oceanography Applications of Digital Image Data from Marine Radar / S. Robinson [et al.] // Journal Atmospheric and Oceanic Technology. 2000. Vol. 17, iss. 5. P. 721–735. doi:10.1175/1520-0426(2000)017<0721:COAODI>2.0.CO;2
  10. Huang W., Liu X., Gill E. W. Ocean Wind and Wave Measurements Using X-Band Marine Radar: A Comprehensive Review // Remote Sensing. 2017. Vol. 9, iss. 12. 1261. doi:10.3390/rs9121261
  11. Young I. R., Rosenthal W., Ziemer F. A three-dimensional analysis of marine radar images for the determination of ocean wave directionality and surface currents // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1985. Vol. 90, iss. C1. P. 1049–1059. doi:10.1029/JC090iC01p01049
  12. Determination of Bathymetric and Current Maps by the Method DiSC Based on the Analysis of Nautical X-Band Radar Image Sequences of the Sea Surface (November 2007) / C. M. Senet [et al.] // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2007. Vol. 46, iss. 8. P. 2267–2279. doi:10.1109/TGRS.2008.916474
  13. Hessner K. G., Nieto-Borge J. C., Bell P. S. Nautical radar measurements in Europe: Applications of WaMoS II as a sensor for sea state, current and bathymetry // Remote Sensing of the European Seas / V. Barale, M. Gade (eds). Dordrecht, The Netherlands : Springer, 2008. P. 435–446. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6772-3_33
  14. Wind waves in the North Atlantic from ship navigational radar: SeaVision development and its validation with the Spotter wave buoy and WaveWatch III / N. Tilinina [et al.] // Earth System Science Data. 2022. Vol. 14, iss. 8. P. 3615–3633. doi:10.5194/essd-14-3615-2022
  15. О проведении измерений характеристик морской поверхности с использованием когерентного радара СВЧ диапазона / В. И. Веремьев [и др.] // Сборник научных статей по материалам IV Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» («Радиоинфоком-2019»), г. Москва, РТУ МИРЭА. Москва : МИРЭА – Российский технологический университет, 2019. С. 8–13.
  16. Measuring currents, ice drift, and waves from space: the Sea Surface Kinematics Multiscale monitoring (SKIM) concept / F. Ardhuin [et al.] // Ocean Science. 2018. Vol. 14, iss. 3. P. 337–354. doi:10.5194/os-14-337-2018
  17. Inversion of Marine Radar Images for Surface Wave Analysis / J. Nieto Borge [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2003. Vol. 21, iss. 8. P. 1291–1300. doi:10.1175/1520-0426(2004)021<1291:IOMRIF>2.0.CO;2
  18. Kleiss J. M., Melville W. K. Observations of wave breaking kinematics in fetch-limited seas // Journal of Physical Oceanography. 2010. Vol. 40, iss. 12. P. 2575–2604. doi:10.1175/2010JPO4383.1
  19. Sutherland P., Melville W. K. Field measurements and scaling of ocean surface wavebreaking statistics // Geophysical ResearchLetters. 2013. Vol. 40, iss. 12. P. 3074– 3079. doi:10.1002/grl.50584
  20. Phillips O. M. Spectral and statistical properties of the equilibrium range in windgenerated gravity waves // Journal of Fluid Mechanics. 1985. Vol. 156. P. 505–531. doi:10.1017/S0022112085002221
  21. A semiempirical model of the normalized radar cross-section of the sea surface. 1. Background model / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C3. 8054. doi:10.1029/2001JC001003
  22. Young I. R., Rosenthal W., Ziemer F. A three-dimensional analysis of marine radar images for the determination of ocean wave directionality and surface currents // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1985. Vol. 90, iss. C1. P. 1049–1059. doi:10.1029/JC090iC01p01049
  23. Plant W. J. The modulation transfer function: concept and applications // Radar Scattering from Modulated Wind Waves / Eds. G. J. Komen and W. A. Oost. Dordrecht : Springer, 1989. P. 155–172. https://doi.org/10.1007/978-94-009-2309-6_13
  24. Sun glitter imagery of ocean surface waves. Part 1: Directional spectrum retrieval and validation / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 122, iss. 2. P. 1369–1383. doi:10.1002/2016JC012425
  25. Юровская М. В., Кудрявцев В. Н., Станичный С. В. Восстановление кинематических характеристик поверхностного волнения и батиметрии по многоканальным оптическим снимкам комплекса «Геотон-Л1» на спутнике «Ресурс-П» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16, № 2. С. 218–226. doi:10.21046/2070-7401-2019-16-2-218-226
  26. Submesoscale currents from UAV: An experiment over small-scale eddies in the coastal Black Sea / Y. Yurovsky [et al.] // Remote Sensing. 2022. Vol. 14, iss. 14. 3364. doi:10.3390/rs14143364
  27. An improved method for determining near-surface currents from wave dispersion measurements / B. Smeltzer [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2014. Vol. 124, iss. 12. P. 8832–8851. doi:10.1029/2019JC015202
  28. Chapron B., Collard F., Ardhuin F. Direct measurements of ocean surface velocity from space: Interpretation and validation // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2005. Vol. 110, iss. C7. doi:10.1029/2004JC002809

Текст статьи

Русскоязычная версия (PDF)

Англоязычная версия (PDF)