Восстановление полей ветра в прибрежной зоне по радиолокационным данным X-диапазона при больших углах наблюдения морской поверхности

А. Е. Кориненко*, В. В. Малиновский

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

* e-mail: korinenko.alex@yandex.ru

Аннотация

Цель статьи – разработать геофизическую модельную функцию, позволяющую по радиолокационному сигналу, отраженному от морской поверхности, восстанавливать модуль и направление скорости ветра. В ходе натурных экспериментов на стационарной океанографической платформе в 2022–2024 гг. была сформирована база данных, содержащая радиолокационную информацию, частотные спектры возвышений морской поверхности, скорость и направление ветра, геометрические размеры обрушений в активной фазе. В эксперименте использовалась радиолокационная станция MRS-1011 (Х-диапазон, длина электромагнитной волны 3 см), работающая в круговом обзоре на горизонтальной поляризации передачи/приема сигнала при больших углах наблюдения. Для данных условий наблюдений основным информативным параметром, определяющим эффективную площадь рассеяния, является доля морской поверхности, покрытая обрушениями. Качественным подтверждением этого является совпадение ветровой зависимости радиолокационного сигнала с зависимостью доли моря, занятой обрушениями, от скорости ветра. Показано, что зависимость эффективной площади рассеяния от суммарной площади обрушений на единице поверхности является линейной с коэффициентом 1.47. Интенсивность обрушений зависит также от возраста волн, что приводит к изменению эффективной площади рассеяния в зависимости от степени развития волнения. Экспериментально установлено влияние возраста волн на уровень сигнала радиолокатора. Показано, что уровень радиолокационного сигнала в направлении «на ветер» увеличивается в пять раз при изменении возраста волн от 0.1 до 1.2. На основании натурных данных и физических представлений о формировании отраженного от морской поверхности радиолокационного сигнала предложена геофизическая модельная функция, которая позволяет определять поля скорости ветра в акваториях радиусом около километра. Ошибка восстановленных по радиолокационным данным модуля и направления скорости ветра составила соответственно 1.2 м/с и 30 по сравнению с информацией, полученной анемометром.

Ключевые слова

радиолокационные станции, радиолокационные изображения, удельная эффективная площадь рассеяния, морская поверхность, скорость ветра, натурные измерения, возраст волн, обрушения ветровых волн

Благодарности

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-27-20105, https://rscf.ru/project/24-27-20105, и соглашения с Департаментом образования и науки г. Севастополя № 85 от 19.06.2024 г. Авторы выражают благодарность К. А. Пампей за помощь в обработке натурных данных.

Для цитирования

Кориненко А. Е., Малиновский В. В. Восстановление полей ветра в прибрежной зоне по радиолокационным данным X-диапазона при больших углах наблюдения морской поверхности // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2025. № 1. С. 26–41. EDN JRCXNU.

Korinenko, A.E. and Malinovsky, V.V., 2025. Wind Field Retrieval in the Coastal Zone Using X-Band Radar Data at Large Incidence Angles. Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea, (1), pp. 26–41.

Список литературы

  1. On radar imaging of current features: 2. Mesoscale eddy and current front detection / J. A. Johannessen [et al.] // Journal of Geophysical Research. 2005. Vol. 110, iss. C7. C07017. https://doi.org/10.1029/2004JC002802
  2. On dual co-polarized SAR measurements of the ocean surface / V. N. Kudryavtsev [et al.] // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2013. Vol. 10, iss. 4. P. 761–765. https://doi.org/10.1109/LGRS.2012.2222341
  3. A semiempirical model of the normalized radar cross-section of the sea surface. 1. Background model / V. N. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C3. 8054. https://doi.org/10.1029/2001JC001003
  4. Sample application of a low-cost X-band monitoring system of surface currents at the Black Sea shore / D. V. Ivonin [et al.] // Russian Journal of Earth Sciences. 2011. Vol. 12, iss. 2. P. 1–8. ES2003. https://doi.org/10.2205/2011ES000507
  5. Ermoshkin A. V., Kapustin I. A. Estimation of the wind-driven wave spectrum using a high spatial resolution coherent radar // Russian Journal of Earth Sciences. 2019. Vol. 19, iss. 3. ES1005. https://doi.org/10.2205/2019ES000662
  6. Определение скорости течения на морской поверхности доплеровским радиолокатором X-диапазона / А. В. Ермошкин [и др.] // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13, № 3. С 93–103. EDN PSBVIF. https://doi.org/10.7868/S2073667320030089
  7. Real-time ocean wind vector retrieval from marine radar image sequences acquired at grazing angle / R. Vicen-Bueno [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2013. Vol. 30, iss. 1. P. 127–139. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-12-00027.1
  8. Lund B., Graber H. C., Romeiser R. Wind retrieval from shipborne nautical X-band radar data // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2012. Vol. 50, iss. 10. P. 3800–3811. https://doi.org/10.1109/TGRS.2012.2186457
  9. Dankert H., Horstmann J., Rosenthal W. Ocean wind fields retrieved from radar-image sequences // Journal of Geophysical Research. 2003. Vol. 108, iss. C11. 3352. https://doi.org/10.1029/2003JC002056
  10. Малиновский В. В. Оценка связи параметров радиолокационного сигнала, отраженного от моря при малых углах скольжения, с характеристиками обрушений ветровых волн // Морской гидрофизический журнал. 1991. № 6. С. 32–41.
  11. Hwang P. A., Sletten M. A., Toporkov J. V. Breaking wave contribution to low grazing angle radar backscatter from the ocean surface // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2008. Vol. 113, iss. C9. C09017. https://doi.org/10.1029/2008JC004752
  12. 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.
  13. Zhao D., Toba Y. Dependence of whitecap coverage on wind and wind-wave properties // Journal of Oceanography. 2001. Vol. 57. P. 603–615. https://doi.org/10.1023/A:1021215904955
  14. Whitecap coverage dependence on wind and wave statistics as observed during SO GasEx and HiWinGS / S. E. Brumer [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2017. Vol. 47, iss. 9. P. 2211–2235. https://doi.org/10.1175/JPO-D-17-0005.1
  15. Dulov V. A., Skiba E. V., Kubryakov A. A. Landsat-8 observations of foam coverage under fetch-limited wave development // Remote Sensing. 2023. Vol. 15, iss. 9. 2222. https://doi.org/10.3390/rs15092222
  16. Bulk parameterization of air-sea fluxes: updates and verification for the COARE algorithm / C. W. Fairall [et al.] // Journal of Climate. 2003. Vol. 16, iss. 4. P. 571–591. https://doi.org/10.1175/1520-0442(2003)016%3C0571:BPOASF%3E2.0.CO;2
  17. Hanson J. L., Phillips O. M. Wind sea growth and dissipation in the open ocean // Journal of Physical Oceanography. 1999. Vol. 29, iss. 8. P. 1633–1648. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1999)029%3C1633:WSGADI%3E2.0.CO;2
  18. Mironov A. S., Dulov V. A. Detection of wave breaking using sea surface video records // Measurement Science and Technology. 2008. Vol. 19, iss. 1. 015405. https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/1/015405
  19. Статистические характеристики обрушений ветровых волн и их связь с диссипацией энергии по данным натурных измерений / А. Е. Кориненко [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 5. С. 514–531. EDN RNDETW. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-5-514-531
  20. 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.
  21. On radar imaging of current features: 1. Model and comparison with observations / V. N. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research. 2005. Vol. 110, iss. C7. https://doi.org/10.1029/2004JC002505
  22. Phillips O. M. Radar returns from the sea surface – Bragg scattering and breaking waves // Journal of Physic Oceanography. 1988. Vol. 18, iss. 8. P. 1065–1074. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1988)018%3C1065:RRFTSS%3E2.0.CO;2
  23. Monahan E. C., Woolf D. K. Comments on “Variations of whitecap coverage with wind stress and water temperature” // Journal of Physical Oceanography. 1989. Vol. 19, iss. 5. P. 706–709. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1989)019%3C0706:COOWCW%3E2.0.CO;2
  24. 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. https://doi.org/10.1175/2010JPO4383.1
  25. Bortkovskii R. S., Novak V. A. Statistical dependencies of sea state on water temperature and wind-wave age // Journal of Marine Systems. 1993. Vol. 4, iss. 2–3. P. 161–169. https://doi.org/10.1016/0924-7963(93)90006-8
  26. Anguelova M. D., Webster F. Whitecap coverage from satellite measurements: A first step toward modeling the variability of oceanic whitecaps // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2006. Vol. 111, iss. C3. C03017. https://doi.org/10.1029/2005JC003158
  27. Sutherland P., Melville W. K. Field measurements and scaling of ocean surface wave-breaking statistics // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40, iss. 12. P. 3074–3079. https://doi.org/10.1002/grl.50584
  28. Кориненко А. Е., Малиновский В. В., Кудрявцев В. Н. Экспериментальные исследования статистических характеристик обрушений ветровых волн // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 6. C. 534–547. EDN YPUYXR. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2018-6-534-547
  29. Trizna D. B., Carlson D. J. Studies of dual polarized low grazing angle radar sea scatter in nearshore regions // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1996. Vol. 34, iss. 3. P. 747–757. https://doi.org/:10.1109/36.499754
  30. Azimuthal dependence of the radar cross section and the spectral background noise of a nautical radar at grazing incidence / H. Hatten [et al.] // Proceedings of IGARSS. Sensing and Managing the Environment. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Seattle, WA. USA. 6–10 July. IEEE Publications, 1998. Vol. 5. P. 2490–2492. https://doi.org/10.1109/IGARSS.1998.702255
  31. Normalized radar cross section of the sea for backscatter: 1. Mean levels / W. Plant [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2010. Vol. 115, iss. C9. C09032. https://doi.org/10.1029/2009JC006078
  32. Wentz F. J., Peteherych S., Thomas L. A. A model function for ocean radar cross section at 14.6 GHz // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1984. Vol. 89, iss. C3. P. 3689–3704. https://doi.org/10.1029/JC089iC03p03689

Текст статьи

Русскоязычная версия (PDF)

Англоязычная версия (PDF)

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.