Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Определение скорости приводного ветра по аэрокосмическим данным о состоянии поверхности моря

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Определение скорости приводного ветра по аэрокосмическим данным о состоянии поверхности моря"

г§ од

! 3 МАЙ Ш

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ О ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (РОСГИДРОМЕТ)

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ ИМ. А. И. ВОЕЙКОВА

На празах рукописи

НОВАК Владислав Адольфович

УДК 551.466 - 551.610

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПРИВОДНОГО ВЕТРА ПО АЭРОКОСМИЧЕСКИМ ДАННЫМ О СОСТОЯНИИ ПОВЕРХНОСТИ МОРЯ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 04.00.22 - ГЕОФИЗИКА

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994

Работа выполнена в' Главной геофизической обсерватор: им- А. И; Воейкова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, ведущ научный сотрудник Р. с. Бортковский.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В. В- Медентьев;-кандидат физико-математических наук, доцент К."Л. Егоро:

Ведущая организация: Государственный океанографический инстит;

с с.-Петербургское отделение :>

Защита состоится 1994 Г. в ча&

из заседании специализированного Совета Д0Е4.0а.01 Главн*

геофизической обсерватории им- А. И. Воейкова по адресу: 194011 Санкт-Петербург, ул. Карбышева. 7.

С диссертацией можно ознакомиться з библиотеке Глав» геофизической обсерватории им. А. И- Воейкова.

Автореферат разослан " " ссл^/ис^^? 1ад4 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, доктор географических наук

Н. В- Кобышв

0бщ4я характеристика работы

Актуальность работы. Возможность определения скорости привод-го ветра по данным дистанционного зондирования океанской верхносги со спутников является одним из актуальных вопросов икладной гидрофизики. Пространственные масштабы площади занской поверхности, схватываемые при зондировании, составляют ю2 до ю4 км2 в. зависимости от высоты полота ноаггеля и экентарного разрешения средств измерений, что позволяет получать зомасштабные характеристики приповерхностного Еэтра, вивалентные данным судовых и буйковых измерений скорости и правления ветра в точке, осредненным за 8-хо ми:. Поэтому утниковыз измерения могут стать основным источником данных для лого ряда задач: прогноза погоды, численного моделирования овальной циркуляции атмосферы и океана. прогнозирования лнения. Актуальность спутниковых измерений характеристик ветра д океаном особенно возрастает в последнее время, когда сеть цовых измерительных станций сокращается, и, таким образом, прос о повышении точности алгоритмов определения скорости вводного ветра по данным спутниковых измерений приобретает рвостепэнноэ-значение.

Точность определения скорости Еетра над океаном с помощью временных спутниковых средств оценивается в ±г мс"1 в области ереняых скоростей ветра 5<и<1в мс"1. Однако, при слабых, и<е-и штормовых скоростях. 1б<и£г4 мс"1, погрешность определения орости ветра возрастает до ±4-6. мс"1, а при скоростях ветра ыше г* мс"1 достигает значений ±э мс"1.

Все методы дистанционных спутниковых измерений скорости иводаого ветра с оптические, радиометрические, радиолокационные? нованы на зависимости величины сигнала, поступающего в приемник.

характеристик состояния морской поверхности с СПО": либо - от остранственного спектра ветрового волнения сввэ; либо- от доли рекой поверхности, занятой барашками и пеной; либо определяются вместным влиянием указанных факторов. Еще ю-15 лет назад связь жду скоростью взтра и характеристиками СПО казалась строго терминированной. Однако, как было экспериментально обнаружено С. Бортковским оэезэ, характеристики СПО оказались зависящими только от скорости ветра, но и от температуры морской поверх-сти. Кроме того, можно предполагать, что другим параметром, оп-

ределяющим характеристики СПО. является стадия развития I связанная с разгоном и временем действия ветра. Таким образ: определение скорости ветра со спутников по данным о СПО пр< ставляется комплексной задачей, и повышение точности спутники измерений скорости ветра в первую очередь должно базироваться учете связи характеристик состояния поверхности- со вс< определяющими факторами - скоростью ветра, стадией развит ветрового волнения и температурой с вязкостью поверхности.

Пути гостоения алгоритмов спутниковых определений скоро« ветра, учитывающих зависимость характеристик состояния поверхно« океана от указанных факторов, рассматриваются в предлагав! работе.

в Целью работы является уточнение алгоритмов определения ско] ста приводного ветра'по данным спутникового дистанционного зон; рования поверхности океана на основе исследования зависимо« радиосигнала от ряда неучитываемых ранее факторов, обусловлен] влиянием обрушения ветровых волн, влиянием стадии развития ве температуры океанской поверхности.

я Научная новизна работы состоит в"следующих результатах:

- выполнена параметризация зависимости параметра азродинамичес] шероховатости океанской поверхности от стадии развития вв. использованием которой установлена тесная связь характерно-радиосигнала, поступающего в приемник аэрокосмического носите, с дииамичесхой скоростью;

- получен ряд количественных зависимостей характеристик СПО скорости ветра или динамической скорости, стэдии развития ; температуры океанской поверхности. ' применимых для приклад расчетов во многих задачах взаимодействия атмосферы и океана;

- приведены новые данные о коэффициентах излучения и отраже: морской поверхности с учетом излучательной и отражательной с. собности пенных образований;

- построены и апробированы уточненные алгоритмы определения ско • ста ветра по данным спутникового радиометрического и радио,

кационяого зондированиия. учитывающие полученные связи, и вы ботзн ряд рекомендаций, направленных на уточнение мето, спутникового определения скорости ветра, о Практическая ценность работы заключается в том. что резуль ты. полученные в работе, могут служить фундаментом для уточне

ритмов определения скорости ветра над океанской поверхностью энным аэр'окосмического дистанционного зондирования.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на еренцкях и „семинарах ГГО им. Л. И. Воейкова, на Международном оквиуке по гидродинамике океана с Льеж. Бельгия, май итог г. э, Международном семинаре по взаимодействию океана и атмосферы ;ква. ГОИН, ноябрь íesau, на Школе-семйгара по турбулентным ¡ниям "Взаимодействие океана и атмосферы" сМосква. КФА, апрель i, г. э. и использованы в отчетах за 1991-92 гг. по разделу ГГО раммы "Мировой океан" и отчетах о НИР плана НИР Росгидромета, ■еме диссертации опубликовано 5 статей.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, ¡рех глав и заключения. Содержит гво страниц машинописного :та. включая тг рисунка. 17 таблиц и список цитируемой фатуры. которыа состоит из íes наименования.

содержание работы

Во введении обсуждается актуальность темы диссертации, ее эвные задачи, приводятся оценки точности существуют« методов гникового определения скорости приводного ветра, отмечаются 5лемы. в результате решения которых следует ожидать повышения зости этих методов; кратко излагается содержание глав зертации.

Первая глава посвящена описанию физических 'основ и методов ганционных азрокосмических измерений скорости ветра над аном. Основное внимание уделено рассмотрении физических связей иходящий в приемник сигнал - характеристики состояния поверхно-океана ". Указаны преимущества тех или иных методов, приведены нки пространственных масштабов зондирования, выполнен обзор ествуюших алгоритмов определения скорости ветра по спутниковым ным о СПО. даны оценки точности алгоритмов.

Описание методов предваряется изложением основных определений тотных и пространственных -спектров поверхностных волн. Далее дует обзор оптических методов: плановой аэрофотосъемки окоан-й поверхности, доля которой занята барашками и пятнами пены-, «фотосъемки поверхности в области солнечного блика; спектрофо-

токетрических методов. Применение оптических методов дои получек характеристик СПО и скорости приводного ветра ограничивается Maj простраяственным разрешением снимков и, главным образом, налич! облачного покрова над скаеном. Оптимальными для определвЕ скорости ветра над океаном следует считать СВЧ-радиометрические радиолокационные методу.

Далее выпо.лнен обзор свч-рлмомегрических, альтиметр ¡¡чески* скаттерометрхческих методов и алгоритмов определения скорости пр зодяого ветра. "Главный недостаток рассмотренных алгоритмов, с в торым связывается ограничение точности радиометрических и рада локационных методов, заключается в том. что в основе расчетов j кит. как правило, представление об однозначности связи характер стик СПО сс скоростью ветра: существующие алгоритмы представая ссбог либо стохастические уравнения, связывающие параметры рада сигналз непосредственно со скоростью ветра, либо -. полуэмг ричеокке модели, описывающие связь радиосигнала с характеристика СПО, где зависимость последних от скорости ветра парэметризовг только на случай полностью развитого волнения и средних температ океанской поверхности. На зависимость радиояркостной температу от разгона указано лишь в работе с Мелентьев, isso э.

При расчете коэффициентов излученшкотражения взволнованн океанской поверхности необходимо учитывать уклоны поверхности излучательнухкотрзжательную способность барашков и пятен пены, с разующихся в результате обрушения гребней ветровых волн- Беличи коэффициентов излучэния^отражения барашков и пятен пены определ егся средние о'бъемным содержанием воздуха в этих образования fjtrv</v6 ~ ДЛ51 баРЗШК0В- "n~\'vn ~ дая Л8НЬ1' гдо'У&- объем возд хэ б пекном образовании. vg- объем барашка, vn- объем пятна пен Для радиометрических и альтиметрических моделей определения скор сти ветра характерна переоценка влиияния барашков и пятен пены величину коэффициентов излучения/отражения океанской поверхнос из-за неверного задания среднего объемного содержания воздуха пенных образованиях: йб=йп=о. ао+о.еэ по одним, или й6=йп>о.s -другим данным, в реальных же условиях йп<й5 ст. к. пятна пен состоящие из всплывающих к поверхности отдельных пузырьков во духа, представляют собой де структирующии след барашка?. 0.35 < Ы6 < О. S по данным с Беззаботнов И др..' 1986; Longuet Higgins, Turner, 1074 3 об ЭЭраЦИИ бараШКа. При ИТОрме ДОЛЯ П

шости. занятая пятнами пены, существенно превышает долю ¡рхности, занятую барашками. - поэтому прирацента коэффициентов гчения/отражения за счет рбрушений вв будет определять:?!. :новном. влиянием пятен пены, издучательнэя/отраиатзльная спо-[ость которых, как и йп> подлежит определению-

При радиолокации океанской поверхности н-з рздиоЕоднах горм-■альноя поляризации под углами падения свыше з0-40°. значимое гаие на сигнал скаттерометра - иначе, на сечение обратного растя радиоволн океанской поверхностью , <А- также оказывает об-!ние гребнеа вв. Среди радиолокацонно значимых эффектов обруев-обычно выделяются брызги, заострения сискривлениям грзбнея. ють переднего сильно турбулизированнсго фронта баранка. В на-кдее время аналитически может быть оценена роль брызг, размеры >рых и интенсивность их генерации на поверхности изучены. Для жи других эффектов требуются более детальные сведения о струк-! обрушающихся гребней. Поэтому актуальным представляется уста-юниэ статистической зависимости между долей сечения рассеяния, (анной с обрушением вв. и общими характеристиками СПО -

!й поверхности, занятой барашками... числом обрушений, вероят-:ыо обрушения и т. п. Поскольку указанные характеристики опре-иотся динамической скоростью, иж, в срьиира, геваэ получено и [ято в ряде других работ.- о?6 «.и®, что. однако, не подтвера--ся экспериментальными данными, которые показывают, что эта !Ь ближе к-линейной-

В целом, предварительный анализ данных скаттерометрических ¡рений, выполненных на радиоволнах, как горизонтальной, так и гикальной, поляризаций позволяет предполагать', что корреляция 1У значениями и динамической скорости, будет вьшэ. чем эеляция величин и скорости приводного ветра- Наличие более гай связи с иш, а не со скоростью ветра, подтверждается '.е экспериментальными данными си <?£ «1, гавоэ. В заключение первой главы ставятся основные задачи исследова-

ценить влияние дополнительных факторов с стадии развития вв. гратификации приводного слоя воздуха, темгорат'/ры океанской по-" »рхности? на характеристики радиосигнала и исследовать зависнуть радиосигнала от динамической скорости, определенной с уче-)м указанных факторов;

в

- на основании экспериментальных данных получить количестве описание зависимооти характеристик СПО от всех определяющих торов: скорости ветра, стратификации приводного слоя возд стадии развития вв. температуры океанской поверхности;

- исследовать и оценить роль поверхностных эффектов, связана обрушением вв. в формировании получаемого радиосигнала;

- получить рекомендации по уточнению алгоритмов определения ск ста приводного ветра по данным азрокосмического зондировани основе учета эффектов, связанных с обрушением вв. и учета з симости характеристик СПО от всех определяющих факторов.

н Во второй главе исследована зависимость параметра аэродин ческой шероховатости океанской поверхности. га. от данамиче скорости и стадии развития вв. На основе натурных и лаборатс измерений выполнена параметризация этой связи в виде:

г СсЗ о •

Е-а.

При Си£ 4. 72 при 4.7а < 60

п=0

2 С60Э - г

х.СвОЭ - ---— Сс^- 605, при 60 < Сш < 1

40

при х

0.027с .

г » о

< г

Параметризация в виде сю зависимости безразмерного параметре роховатости. £о=год/и*. где д- ускорение силы тяжести, от 1 метра стадии развития вв. где ср- фазовая скорост!

новкых зноргонесущих компонентов спектра вв. является обобщ< известного соотношения Чарнока. Значение 5оо-о. озз^д/и°, где вязкость воздуха, характеризует го в режиме гладкого обтекани, ранних стадиях развития вв* г0 растет от значения 5о< 1г7' ПРИ ¿„=4-7г пропорционально с,; При Сф > 4.73 сменяется уменьшением вплоть до значений £00 в условиях при сж-1оо. Уменьшение ъ с ростом в диапазоне 4.72 <

ывается полиномом четвертой степени, полученным при обработке рных данных-, в-области значений св > во, слабо освещенной рными данными, принята линейное - затухание zq до ¡оо- При остью развитом вв. £„=25, величина £0 составляет о. ois. Количественное описание стадии развития вв часто выражается в инах возраста вв:

с = ср/и = сДси) - , с г d

и- скорость ветра' на высоте го м. c^fu^/u)2- коэффициент ¡динамического сопротивления океанской поверхности. При налички гаграфкческих измерения опрзделение 5 не представляет труда, случая, когда измерения характеристик волнения отсутствуют, во зой главе разработана модель опрзделениг. S по данным последсва->ных измерений скорости и направления ветра. В основе модели JT уравнения, описывающие временной" рост^затуханш фазовой скоси спектрального пика вв. с .• и волновой энергии в условиях твзювцэгося волнения и зыби, и соотношения, определяющие пере-зйку волновых компонентов при"смене направления ветра. Уравне-модели определения 5 и зависимости сгэ, сгэ замыкают систему знаний теории подобия Монина-Обухоза, и все вместе представляют эй новую методику определения zo и иж с учетом стадии развития скорости ветра и стратификации приводного слоя воздуха по дак-стандарггных судовых гдрометеорологических измерений. Для анализа связи сечения рассеяния, о", с динамической скотью и скоростью ветра использовались данные самолетных скат-ометрических измерения cGuinard et ai,. 1G7ÎD, полученные в рай-океанских . судов погоды "I" и на радиоволнах длиной 3.37; 6.73; 34.4 И 70.1 СМ И уГЛЭХ ПЭДеНИЯ ОТ 20° ДО 80°. для

оставления со значениями о° во всем интервале частот данных радовали характеристики скорости ветрового потока представлялись 5езразмерном виде: w-wck/ga1'*, где к- волновре число грави-ионно-капилжярных ветровых волн, выступающих в качестве основ-рассеивателей радиоволн, характеризуемых волновым числом 2пухо. Величина к определяется из условия брэгговского юнанса в виде:

k = 2k Sine , с 3 3

о

! е- угол падения радиоволн на поверхность. В качестве w исголь-

зозались следующие характеристики ветрового .потока: и1в д- с росгь ветра на высоте 1э.з м; иж- динамическая скорость, расс таннзя по данным стандартных измерений ■ судов погоды "I и "л учетом стратификации приводного слоя воздуха по методике ГГО; I динамическая скорость, определенная как с учетом стратификаг так и с учетом стадии развития вз по новой, изложенной е методике.

В результате-анализа получено, что статистики связи между и параметром й оптимизируются при использовании вместо и 5 наиболее тесная связь отмечается в том случае, когда в качес аргумента °° используется параметр и^ск^д?1'2. Соотзетстве точность определениия <?° по корреляционным уравнениям возраста з среднем, на ю у. при использовании иж>( вместо скорости ве и1в а. Таким образом, величина сечения рассеяния сантиметра радиоволн, отражающая текущее состояние поверхноста океана, оп делается динамической скоростью, а не скоростью ветра.

в Б третьей главе рассматривается влияние поверхностных зфф тов. связанных с обрушением вв. на издучение^отражение и расс вив сантиметровых радиоволн. Здесь исследуется связь характерно СПО г6 сдоли поверхности, занятой барашками?, бп сдоли поверх сти. занятой пеной?. 1-6 с продолжительности непрерывного обруше гребня?, 1П с времени жизни пятна пены .на поверхности океана: комплексом определяющих факторов-, скоростью ветра или динамичес скоростью, стадией развития вв. температурой океанской поверх сти. Базой анализа является обширный банк данных, охватываю широкий диапазон гидрометеорологических условий. Первая часть б ка данных представлена измерениями сотрудников, ГГО с подавляю часть измерений выполнена Р. С. Бортковским, остальное - автора 1эвэ-9о гг. в Тихом океане?-, вторая - измерениями зарубежных следователей. В результате статистического анализа получен стохастических зависимостей, связывающих , 1-п с опре

ляющими параметрами и количественно подтверждающих выв Бортковского с 1Э8Э ? о связи указанных характеристик со скорос Еетра. стадией развития вв. температурой океанской поверхнос1 Полученные соотношения используются в дальнейших расчетах в гла.

з и 4.

Далее оценивается величина среднего объемного содержа; воздуха в барашках, и пятнах пены. йп. Основой расчетов еду

юненциальное описание затухания барашка и его пенного следа на :рхности океана и*численное моделирование динамического взаимо-:твия пузырьков воздуха в барашке. В результате расчетов полу-i: Я6йо. зз, й «о. 14. На основании'этих оценок рассчитаны по коке с Мелентьев. Гусакова. 19во з новые значения коэффициентов чения и отражения пенных образований.

Для оценки рассеяния радиоволн брызгами, образующимися над ¡рхностью в результате схлопывания пузырьков воздуха в барашка •о пенном следе, рассматривалась модель, описывающая развитие и тание барашка вдоль смона обрушаюшеяся ветровой волны. Расчет ¡ния рассеяния радиоволн брызгами., с?, осуществлялся с момента вдения барашка на гребне волны до исчезновения его пенного [а на поверхности. Характеристики барашка полагались однородны-i направлении поперек склоеов ветровых волн. В некогерентном и 'евском приближениях для сечения обратного рассеяния радиоволн ическими брызгами различных размеров при пренебрежении много-иым перерассеянием и поглощением основное уравнение модели

т вид:

V

4ттк

И!

р-Гсо = —^ ! | I я.сх.оте«-^!-^ г-^чгчх , с 4 5

I- время, отсчитываемое от начала обрушения, к - волновое чис-задиоволн. х6- протяженность барашка или пенного следа вдоль йов волн, г- радиус капли в полете над поверхностью, .г - на-.ный радиус капли в момент ее генерации на поверхности, гсгоэ-•ность распределения капель по размерам. чосх,«- интенсивность ¡рации капель поверхностью в точке х в момент времени е -[ектрическая проницаемость капли, меняющаяся' за время полета и. над поверхностью вследствие изменения температуры и со-сти капли за счет испарения, г- нормированная на поперечную :у площадь поверхности, охватываемая радаром. Расчет Л о про-|дался при различных значениях чосх,ог задаваемых в зависимо-от скорости ветра, температуры океанской поверхности, стадии 1ития вв. Величина рсгоэ описывалась функцией:

г

г . г .

ГСг 3 = 4 —— ехр -3—, с 5 Э

6

1

2

О

О

где гт=го-ео мкм - модальный радиус капель. Время полета кап Чсго3, кзменения размера, температуры, солености капель опред лись по моделям с Бортковскиг. 1эаз;_ Воронов, Гаврилов. iaai описывающим термодинамическое взаимодействие капель с возду потоком. Расчеты c°ct:> выполнены для скоростей ветра 7<и<зо i температур океанской поверхности и ?.о°с и' для jo

радиоволн о. е<\о<зо см. Временной ход а° определяется измене qocx,ld при обрушении и временем полета капель. При использое модели Бортковского с isssm максимальные значения достигг через з-s с, а при использовании додели Воронова, Гаври с 1989 э - спустя зо-4о с после начала обрушения.

Для оценки вклада рассеяния радиоволн брызгами в сумма сечение рассеяния радиоволн океанской поверхностью, принималось, что при облучении радаром мезомасштабной пло океанской поверхности над долей поверхности, занятой барапш sg, брызги генерируются с интенсивностью ч0(тах>. а над х поверхности, запятой лен ой,- sn> со средней за время существоЕ пенного следа барашка интенсивностью

Г

% - -С— S V^dt :

п

о

где tn - время существования пенного следа барашка на поверхне Величина для всей площади поверхности, охватьваемой радг определялась из соотношения;

t, Сг- 5

со к О

о" = 4пк* f FCr > f I " I r"dt,dr "is,q + S q 1 . С 6

• °J ° J I ^ I У I 6 O<mox) П^о ]

Расчет по евз показал, что при см вклад рассеяния рг волн брызгами в суммарное значение о° пренебрежимо мал по ерг нию с рассеянием радиоволн брэгговской ветровой рябью. Лишь радиолокации на радиоволнах ло*о. в см и при в>7о° рассеяние с гами соизмеримо по величине- с брэгговским рассеянием. ] образом, при построении модели рассеяния СВЧ излучения морекм ворхностью влиянием брызг можно пренебречь, если длина радис превышает 2 см.

Помимо явного влияния на рассеяние радиоволн, обрушения вв могут неявно сказываться при скаттврометрии, воздействуя на спектральную плотность гравитационно-капиллярной ветровой ряби, выступающей основным рассеивзтелем радиоволн сантиметрового диапазона. Далее в третьей главе на основе уравнения баланса волновой энергии описываются два ассимптотических типа равновесия в спектр© вв промежуточных масштабов: равновесие Филипса с приток энергии к волнам от ветра полностью уравновешивается опрокидыванием волю и равновесие колмогоровского типа сприток энергии уравновешивается опрокидыванием и нелинейным каскадным переносом энергии по спектру в область больших волновых чисел, где энергия диссипирует под действием вязкости?. Соответствующие выражения для спектральных плотностей по частоте, зс<л, и по волновым числам, чсю, имеют ВИД:

ЭСыЭ = рд ы * , душ равновесия

р ~ Филлипса

Ч-СкЭ = - к~*СХ*0 ,

С 7 Э

БСш? = аиди,ы" , ДЛЯ КОЛМОГОрОВСКОГО с 8 Э

типа равновесия

..., . и -1X2 ,-3.5 ,,, . ЧСкЭ = -д и к ■ ОС*?}

где круговая частота волновых компонентов, к- волновой вектор, к=|к|- волновое число. ос*о~ функция углового распределения волновой энергии. %>~ направление волнового вектора. универсальные константы. Экспериментально установлено, что спектральная плотность ветровой гравитационно-кашшшрног ряби определяется соотношениями ВИДа С85.

'Однако, при рассмотрении данных скаттерометрических измерений. полученных при штормовых скоростях ветра на радиоволнах вертикальной поляризации отмечаются следующие особенности: при скорости ветра и^е-го мс"* отмечается насыщение величины °°. и с дальнейшим ростом скорости ветра а° не зависит от и, а при и>24 мс"1 величина о6 становится даже обратно пропорциональной скорости ветра. Данное обстоятельство послужило вс »и, 1аэо э основой для

предположения, что отмеченное насыщение о° связано с тем, что при высоких скоростях ветра распределение энергии поверхностных рассеивающих ветровых волн переходит от колмогоровского типа к фил-липсовому, т. е. до определенного предела по скорости ветра спектральная плотность рассеивающей ветровой ряби описывается выражениями с85, а с дальнейшим ростом и - выражениями ¿7Э. Однако, расчет затухания амплитуды коротких ветровых волн в области пятен пены.' выполненный в третьей главе, показывает, что компоненть волнения с длинами волн см практически полностью подавляются I области пятен пены за счет увеличения вязкости смеси воды v. пузырьков воздуха на поверхности. -Выражения для спектрально! плотности этих волновых компонентов принимают вид-.

= ацди„Ы- {1 .

о.,.,., г Л с а;

чсю = —^ д-'^ц^-* ОС*.} |1-56-Бп| ,

и, таким образом, экспериментально обнаруженное насыщение и последующее уменьшение - величины, прямо пропорциональной чсю,- с ростом скорости ветра при и>го~гё мс"1 объясняется ростом участков поверхности, занятой барашками и пеноа, где коротковолновая рябь подавляется. Данный вывод подтверждается рядом приведенных в работе экспериментальных данных. Дополнительным подтверждением выполненных расчетов влияния возрастающей вязкости в области пятен пены на амплитуду коротких ветровых волн служит отсутствие насыщения с° при скаттерометрии на радиоволнах длиной

СВЫИ9 24 см-

В заключение третьей главы выполнен статистический анализ зависимости поляризационного отношения. а°нну<\ч сгде сечение рассеяния радиоволн горизонтальной поляризации океанской поверхностью. сечение рассеяния радиоволн вертикальной поляризации океанской поверхностью от доли поверхности, занятой барашками и динамической скорости. В результате анализа получено, что суммарный вклад рассеяния радиоволн на поверхностных образованиях, связанных с обрушением вв. характеризуемый отношением > в общую величину сечения рассеяния радиоволн океанской поверхностью

рямо пропорционален и. в соответствие с этим, линейно связан с инамической скоростью.

Выводы и количественные .зависимости, полученные во второй и ретьей главах, используются в четвертой главе . где рассмотрены лгоригмы определения скорости ветра по данным альтда,етрических. адаометрических и скаттерометрических измерений-

В основе альтиметрического определения скорости ветра леяшт асчет коэффициента отражения океанской поверхности, к:

К = С1-5,,-5 Эй + +5 1? , С Ю 5

О П V б б П П

де коэффициент отражения свободной водной поверхности. оэффициент отражения барашков, кп- коэффициент отражения пятен эны. Вследствие того, что морская поверхность покрыта волнами.. лементарные площадки поверхности расположены под различными угла-и к приемнику радиоизлучения, направленному под углом падения, в, поверхности. Поэтому величина коэффициентов и с^-.б.пэ опре-зляется интегрированием по всем локальным коэффициентам де о - локальный угол падения, т.е. как

= ^ ^ Г С а. -оЗ й < в^ ГС 0} , С 11 5

де гса.*о- функциия распределения уклонов взволнованной океанской оверхкости, №=а.г)У<и- уклон элементарной площадки поверхности, *>-аправление уклона, функция, зависящая от генерального угла

адения и уклоно'в поверхности. Связь радиолокациионного отражения адиоволн от морской поверхности с я при зондировании альтиметром надир выражается зависимостью:

_ 1/г х/г 2т. ■ т ог, го

с 1а з

де тог, тго- вторые моменты спектра вв.

Базой радиометрического алгоритма определения скорости ветра лужит расчет коэффициента излучения океанской поверхности, е:

Е = Ci-S^-S ЭЕ + S.E. + S E„ , С 13 3

О П V о о п Л

где EJcj=w,6,n3 = <1 - r> - относящиеся к воде, барашкам и пятнам пены коэффициенты излучения-

Связь величин о°> r , е со скоростью ветра заключается i зависимости характеристик СПО sg> sn, гса.^э. тог, <лго от динамической скорости, стадии развития вв, температуры океанской поверхности.

Определение скорости ветра по скаттерометрическим данным осуществлялось на основе так называемой двухмасштабной модели. Радиолокационное сечение основных мелкомасштабных локальных рассеивзте-лея. а°с©., poi>, определялось через их спектральную плотность.

ÍOO:

Лв ,ро!3 - 1 бяк4 с os*0. рС в ,ро1Э4<кЭ , С 14 3

i О I V

где ко- волновое число радиоволн. скаттерометричесш

коэффициент рассеяния, зависящий от локального угла падения, о., и поляризации радиоволн, pol. Влияние крупномасштабных встровьп волн, склоны которых покрыты основными рассеивателями. определяется соотношением:

■II

о* С О, pol 3 = с Ce ,pol3fCa.*>3FCe3dadp. . С 13 :

В этом случае связь о° со скоростью ветра заключена в зависимосп величин «ккз, гса.Ф от динамической скорости, стадии развития вв, температуры океанской поверхности. С" учетом выводов, полученньс ранее, определение «кз производилось по' соотношении» саз. которо« было'обобщено на случай различных температур поверхности з виде:

Ф^СкЗ « КкЗвхр^-гк^У-^Зъ! , С 16 :

где Ккз- спектральная плотность ветровой рассеивающей ряби, опре^ деляемзя выражением свэ, V- текущая вязкость морской вода. ~

вязкость вода при средней температура океанской поверхности = 1г-14°с, ъ- характерное время жизни ветровой ряби, пршклао.мсе равным половине периода энергонесущих ветровых волн при данной скорости ветра л стадии развития вв.

В качестве данных для расчета по всем моделям использовались измерения ИСЗ "ееазат", "сеозат". "сеоз-з-. "метеой- и самолетные измерения, выполненные в широком диапазоне гидрометеорологических условий. Результаты сопоставления расчетных значений с измеренными указывают на несомненную эффективность использования параметризаций. полученных в главах 2, з, в алгоритмах определения скорости ветра. В этом случае характеристики радиосигнала оказываются связанными не только со скоростью ветра, но и со стадией развитая вв и температурой океанской поверхности. Существенная оптимизация алгоритма определения скорости приводного ветра достигается при использовании выражений со>. с 165 в расчетах по двухмасштабной модели. Учет подавления коротких рассеивающих ветровых волн з области пятен пены позволил уменьшить существующую ошибку скат-терометрического определения скорости ветра ±э мс~* при и> г-г мс"1 до ±4 мс~\ а учет реальной вязкости снизил ошибку определения скорости ветра до ±з мс"1. - при этом ошибка расчета и при слабых и умеренных скоростях ветра также уменьшилась. Учет влияниия стадии развития вв и реальной температуры океанской поверхности в расчете характеристик СПО снижает ошибку определения скорости ветра на 15-го >4 .

в В заключении сформулированы основные выводы, рекомендации, направленные на повышение точности спутниковых измерений скорости ветра над океаном, намечаются пути дальнейших исследований-

Результаты, полученные в работе, могут служить основой для уточнения алгоритмов спутникового определения скорости приводного ветра. Основным фактором, определившим увеличение точности дистанционных измерений, явился учет в алгоритмах обработки спутниковой информации зависимости характеристик СПО не только от скорости ветра, но также от температуры морской поверхности и стадии развития ветрового волнения.

Количественные зависимости харктеристик СПО от этих факторов. полученные -в работе, могут использоваться в широком диапазона прикладных задач взаимодействия атмосферы и океана-

Увеличения точности в определении скорости приводного ветра

по данным СВЧ-радиометрических и альтиметрических измерений моя® добиться при учете излучения и отражения радиоволн от барашков ] пятен пены. Использование численного .моделирования динамическоп взаимодействия пузырьков позволило получить оценки средаегс объемного содержания воздуха в пенных образованиях, ^ао.зз I

14. и рассчитать новые значения коэффициентов излучения I отражения пенных образований.

Анализ зависимости сечения радиолокационного рассеяния. от характеристик ветрового потока показал, что велиичшна ое определяется динамической скоростью, а не скоростью ветра- Этс позволяет предполагать существование прямой связи харакгеристш СПО и их радиолокационного отображения с потоком импульса и; атмосферы в океан. Поэтому ошибка определения скорости ветра пр* интерпретации данных скаттерометрических измерений, полученных в условиях неустановившегося волнения ¿характерных, например, длг областей ЭАЗОэ. будет увеличиваться. В этом случае для получения корректных оценок требуется привлечение дополнительной информации о стадии развития ветрового волнения. Для получения такой информации целесообразным, по-видимому, будет использование либо данных спутниковых альтиметров, о высоте значительных волн, н . либо данных радиолокатора с синтезированной апертурой о пространственном спектре волнения.

Для дальнейших исследований связи аа с динамической скоростью представляется необходимым выполнить параметризацию зависимости параметра аэродинамической шероховатости морской поверхности не только от стадии развития ветрового волнения, но и от температуры водь!, влияющей на спектральную.плотность коротких' ветровых волн, определяющих мелкомасштабные элементы шероховатости поверхности.

Точность определения динамической скорости по данным спутниковых и самолетных скаттерометрических измерений на вертикальной поляризации зависит, в первую очередь, от точности аппроксимации спектральной плотности рассеивающей ветровой ряби, «к'э. учет уменьшения спектральной плотности ряби при больших скоростях ветра за счет роста доли поверхности, занятой пенными образованиями, где рябь подавляется, позволил заметно повысить точность определения динамической скорости в области штормовых скоростей ветра. Еще большего уточнения удалось достичь при введении в аппроксимацию для «¡?э зависимости от кинематической

такости морской поверхности. Следовательно, преимущество расчетов э' двухмасштабной мйдели перед эмпирическими алгоритмами, получении в условиях сравнительно однородной температуры вода и при леренных скоростях ветра, становится очевидным. В связи с этим, цной из наиболее важных будущих задач является получение хгимальной аппроксимации спектральной плотности ветровой ряби, татывающей эффекты вязкости более "Точно .на основе уравнения аланса волновой энергии.

Даже в том случае, когда' целью проведения скаттерометрических зкерений является оценка динамической скорости, а не скорости этра. оптимальная интерпретация данных измерений все равно требу-г информации о стадии развития вв. На это указывает сопоставление ззультатов расчета с данными скаттерометрических измерений на эртикальной поляризации, где ю я -нов увеличение точности опре-зления .динамической скорости достигается при интегрировании ло-эльных сечений рассеяния. Л«, по спектру уклонов, зависящему г возраста ветрового волнения.

Существенной проблемой в интерпретации данных скаттерометри-эских измерений, выполненных на вертикальной поляризации, являет-я насыщение и последующее уменьшение значений при скоростях етра свыше го м/с. что объясняется подавлением рассеивающей вет-овой ряби на растущих участках океанской поверхности, занятых ба-ашками и пеной. Поэтому задача определения скорости ветра без ривлечения дополнительной информации становится неопределенной, бо одним и тем же значениям могут соответствовать различные г.орости ветра. Поэтому одно из направлений дальнейших исследова-ш должно заключаться в создании комплексных алгоритмов восста-овления, в которых в качестве исходных должны быть использованы ак данные скаттерометрических, так и данные радиометрических змерений.

От указанного недостатка свободны измерения на волнах оризонтальной поляризации, поскольку при больших скоростях ветра °н определяется рассеянием излучения на поверхностных обрззовани-х. связанных с обрушением ветровых волн. Среда значимых эффектов брушения. определяющих рост о£н при шторме часто выделяются брыз-■и. Однако.' расчеты, выполненные в работе, показали, что влиянием ¡рызг можно пренебречь, если длина радиоволн превышает г см. В |бщем виде прирост сечения радиолокационного рассеяния за счет

обрушений линейно связан с динамической скоростью, что согласуется с линейным характером зависимости s6=s6cue3.

Зависимость характеристик сигнала, поступающего на вход приемника. установленного в аэрокосмическом носителе, от комплекса рассмотренных параметров, обуславливающих текущее СПО. определяет комплект аппаратуры будущих океанографических спутников- Для оптимального определения скорости приводного ветра в этот комплект долины входить: СВЧ-скатгерометр, радар-альтиметр или радиолокатор с синтезированной апертурой и многоканальный СВЧ-рздиометр, обес-печивэкете измерение соответственно динамической скорости, стадии развития ветрового волнения и температуры морской поверхности-

В качестве главной задачи будущих исследования выдвигается задача построения комплексного алгоритма определения скорости ветра над океаном, который более детальным образом будет описывать те связи, которые установлены в настоящей работе.

и . Основные результаты работы опубликованы в следующих статьях:

- Влияние брызг, образующихся при обрушении ветровых волн, на рассеяние СВЧ излучения. - Тр. конф- молодых ученых и спзц- ITC им. А.И-ВоейкоЕа. Ленинград, гз-гз октября, ísgo г..- Л.. ГГО. 1q91, с- 140 - íse. Деп. ИЦ ВНИИГМИ-МЦЦ. os.os.ai, n 1080-ГМ91.

- Зависимость доли морской поверхности, занятой барашками и пеной от определяющих параметров. - Тр. конф. молодых ученых и спец. ГГО им. А. И-Воейкова, Ленинград, гз-гз октября 1990 г. Л-, ГГО, leoi. с- 1S9 - 187. деп. ИЦ.ВНИЖШ-МЩ, os.oe>ei. n 1000-ГМ91.

- Об учето стадии развития ветрового волнения при расчете турбулентных потоков над океаном. - Изв. РАН. Физика атм. v океана, 1993. т. 20. n 4, с. soi - sob. св соавторстве с P.C. Бортковским и А. К. Головиными

- Statistical dependencies of sea state characteristics on water temperature and wind-wave age.- J. Marine Systems, 1993, v. 4, No. 2-3, p. 1S1 - 169. Cin coauthorship with R. S. BortkovskiO

- Аэродинамические свойства морской поверхности при различно! стадии ветрового волнения. - в сб. : Ветровое волнение, С. -Птб.. Гидрометеоиздат. юо4, в печати. с в соавторстве с P.C. Еортковсктао