ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 6, с. 11-21
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ^^^^^^^^
ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 551.46
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ РЛ-ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ МОРЯ
© 2007 г. В. Н. Кудрявцев1' 2' 3, Н. А. Иванова1' 3*, О. М. Йоханнессен2, Д. Б. Акимов1
Международный Центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена,
Санкт-Петербург 2Nansen Environmental and Remote Sensing Center, Bergen, Norway 3Российский Государственный Гидрометеорологический Университет, Санкт-Петербург *Тел.: +7 (812) 324-51-03; e-mail: nataliya.ivanova@niersc.spb.ru Поступила в редакцию 30.01.2007 г.
Проведен анализ зависимости удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) эхо-сигнала радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) от различных параметров состояния моря. Показано, что УЭПР изменяется не только в зависимости от скорости ветра, но и от разгона. Она определяется формой рассеивающей поверхности, а спектр ветрового волнения изменяет свою форму с удалением от берега или кромки льда даже при постоянном ветре. Зависимость УЭПР от разгона может быть ошибочно интерпретирована широко используемыми эмпирическими моделями, такими как CMOD, как изменение скорости ветра. Пренебрежение этой зависимостью может привести к недооценке скорости ветра до 80% в зонах ограниченного разгона, поэтому ее учет необходим в моделях оценки поля скорости ветра по данным РСА. Предложен метод коррекции стандартных моделей, учитывающий специфику изменчивости УЭПР при малом разгоне.
введение
Знание особенностей поля ветра в прибрежной зоне имеет ряд важных практических приложений. Например, в области ветровой электроэнергетики -это определение и картирование доступной энергии ветра, необходимое для планирования оптимального размещения ветровых электрогенераторов и т.д. Ветровой источник энергии является ресурсосберегающим и экологически чистым. Преимущество прибрежной зоны заключается в более высоком потенциале ветровой энергии (большие скорости ветрового потока по сравнению с сушей) и меньшей вероятности "конфликтов" с интересами локальной инфраструктуры. Ветровая электроэнергетика активно развивается в ряде западных стран - Голландии, Дании, Германии.
Из-за редкой сети метеонаблюдений картирование детальных особенностей поля ветра в прибрежной зоне на основе стандартных данных невозможно. Как показано в ряде работ [1, 2], наиболее перспективным для этих целей является определение поля ветра на основе спутниковых изображений, полученных РСА. Зависимость обратного рассеяния радиоволн на морской поверхности от скорости ветра делает задачу восстановления поля ветра по РЛ- изображениям легко реализуемой.
На рис. 1 приведен фрагмент РСА-изображе-ния Азовского моря в районе Керченского пролива, полученного со спутника ENVISAT 4 июля
2005 г. По данным сенсора QuickScat скорость ветра в момент РСА-съемки равнялась 7 м/с, а его направление - с северо-востока. Отметим, что в данном случае направление ветра также может быть легко определено по ветровым полосам, которые отчетливо видны на РСА-изображении.
Рис. 1. Фрагмент (171 х 196 км2) ЕКУКАТ РСА-изоб-ражения Азовского моря в районе Керченского пролива 4 июля 2005 г. Правый край изображения является самым близким к спутнику, направление обзора которого на данном рисунке - справа налево. Сплошная линия - положение сечения РСА-изображения, представленного на рис. 2, - совпадает с направлением ветра, дующего с северо-востока.
Оо, дБ 0
и10, м/с 9
' 3 150 200 0 X, км
150 200 X, км
Рис. 2. Анализ данных РСА-зондирования: а - сечение РСА-изображения (в единицах УЭПР) вдоль показанной на рис. 1 линии. Направление оси X соответствует направлению ветра; б - результат восстановления скорости ветра по этим значениям УЭПР с применением эмпирической модели рассеяния СМОБ-5.
На рис. 2а приведено сечение РСА-изображения (в единицах УЭПР) вдоль линии, показанной на рис. 1 (в направлении по ветру). Вдоль разреза значения УЭПР уменьшается почти на 9 дБ, что в первую очередь вызвано зависимостью УЭПР от локального угла визирования, который изменяется с 18.5° до 29.5°. Можно предположить, что определенный вклад в изменение УЭПР вдоль разреза вносят также изменения скорости ветра. Однако роль этого фактора может быть оценена после исключения тренда УЭПР, обусловленного изменениями угла визирования.
Эмпирические модели типа СМОБ (для С-диа-пазона радиоволн) - СМОБ-4 [3] и СМОБ-5 [4] -являются наиболее широко используемыми моделями для восстановления поля приводного ветра по РЛ-данным. Указанные модели были построены на основе сопоставления скаттерометрических измерений с данными о скорости ветра в открытом океане. Поэтому, строго говоря, модели этого типа применимы для восстановления поля ветра в открытом океане. По данным работы [5] точность восстановления скорости ветра в этих условиях составляет около 1.6 м/с. На рис. 26 показан результат восстановления скорости ветра по значениям УЭПР, представленным на рис. 2а, с использованием эмпирической модели СмОБ-5. В соответствии с результатом этого восстановления скорость ветра в районе наблюдений существенно увеличивается по мере удаления от береговой черты. В целом, этот результат кажется вполне правдоподобным, так как отражает известный эффект ускорения воздушного потока при пересечении береговой черты.
При одной и той же скорости ветра поле волн в зонах ограниченного разгона, например в прибрежной зоне, может существенно отличаться от
волн в открытом море и таким образом влиять на обратное рассеяние радиоволн. В работе [6] было показано, что применение модели СМОБ-4 для восстановления поля ветра по РСА-изображени-ям в зонах ограниченного разгона приводит к средней ошибке в 3.7 м/с. Тем не менее эмпирические СМОБ-модели остаются основным инструментом для восстановления и картирования поля ветра в прибрежных зонах по РЛ-изображениях (см. например [7]).
Основная задача данной работы - анализ рассеяния радиоволн на морской поверхности при различных стадиях развития ветрового волнения. Цель этого анализа - оценить точность восстановления поля ветра по РЛ-изображениям в условиях ограниченного разгона волн, типичного для прибрежных зон и зон на границе раздела лед-вода, а также предложить коррекцию широко используемых эмпирических РЛ-функций типа СМОБ, учитывающую этот эффект. В основе анализа лежит модель формирования РЛ-изобра-жения морской поверхности, предложенная в [8] и верифицированная на данных эксперимента [9].
модель уэпр и ее зависимость от степени развития волн
В модели [8] УЭПР радиоволн на морской поверхности представляется в виде суммы РЛ-сиг-нала, рассеянного на "регулярной" морской пор
верхности, с УЭПР о0я, и РЛ- отражений от зон
обрушения ветровых волн с УЭПР о
0м>Ь ■
*р -
Оя (1- д) + о
0м>Ь
где д - доля поверхности, покрытая зонами обрушений. УЭПР "регулярной" морской поверхности
а
описывается
рамках стандартной композитной модели, объединяющей двухмасштабную модель резонансного (брэгговского) рассеяния волн на коротких ветровых волнах и зеркальные отражения от более крупных поверхностных волн (см. например [10, 11]). Важность роли зеркальных отражений в формировании РЛ-изображений при минимальных углах падения показана в [12].
В работе [8] предполагается, что УЭПР зон обрушений морской поверхности формируется за счет зеркальных отражений радиоволн от различных элементов обрушающихся ветровых волн (крутых склонов волн, поверхности "барашка" и т.п.). Соответственно УЭПР а0УкЬ в (1) описывается в рамках классической теории зеркальных отражений от случайной поверхности, где среднеквадратичный наклон зон обрушений является параметром модели. Основные соотношения РЛ-мо-дели приведены в Приложении.
Основными информативными параметрами, определяющими УЭПР морской поверхности, являются: спектральная плотность возвышений на брэгговском волновом числе, компоненты среднеквадратичного наклона поверхности в направле-
нии на ветер
2
*пр и
перпендикулярном направ-
2
у ,
сг '
тая зонами обрушений д. Наклоны поверхности определяются через спектр волн как
2
у =
ир
Г 2—2
I со8 фк В (к) Ок
к < кё
| 8Ш2 фкГ2В (к) ак
(2)
к < к,.
где В(к) - спектр насыщения (определенный выражениями (А6) и (А7) в Приложении), связанный со спектром возвышений волн как В = к^Б; ф - направление волнового вектора к, ка = кК/4 -волновое число, разделяющее в рамках двухмас-штабной модели морскую поверхность на мелкомасштабную (волны с к > ка) и крупномасштабную (волны с к < ка); кК - волновое число радиоволны. Доля поверхности моря, покрытая зонами обрушений д, выражается через спектр волн и скорость передачи энергии от ветра к волнам в как
= с„
| к-2р(к)В(к)ак,
(3)
к < кл
где сд = 10.5 - эмпирическая константа; кЬ = кК/10 -волновое число самых коротких обрушающихся волн, способных отразить РЛ-сигнал [8].
В работах [8, 9] используемая здесь РЛ-модель была протестирована на экспериментальных данных и, в частности, - на данных специализированного самолетного эксперимента с РЛ-станцией, работающей на частоте 5.3 ГГц, в ВВ- и ГГ-поля-ризациях и в диапазоне углов визирования от 10° до 45°. Этот эксперимент показал вполне удовлетворительное соответствие модели данным измерений. В работе [12] эта модель была применена для анализа угломестной зависимости РЛСБО изображений ИСЗ серии "Океан", и было показано, что при наименьших углах визирования роль зеркальных отражений является определяющей.
На рис. 3 показаны основные характеристики РЛ-рассеяния в условиях полностью развитого ветрового волнения, следующие из данной модели и широко используемых эмпирических моделей рассеяния CMOD-4 [3] и CMOD-5 [4].
Как следует из этого рисунка, модель вполне удовлетворительно описывает эмпирические ветровые и азимутальные характеристики УЭПР морской поверхности, которые используются при восстановлении поля ветра по скаттерометриче-ским данным или РЛ-изображениям. Вклад различных механизмов рассеяния в полную УЭПР показан на рис. 2а. При 0 < 25° основной вклад в УЭПР на ВВ-поляризации дают зеркальные отражения, а при меньших углах падения - брэггов-ское рас
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.