ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2009, № 1, с. 60-70
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
УДК 528.813
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ МНОГОМАСШТАБНАЯ СТАТИСТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПОЛЯ ОБРУШЕНИЯ МОРСКИХ ВОЛН ПО ДАННЫМ ОПТИКО-ДИСТАНЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ © 2009 г. Е. А. Шарков
Институт космических исследований РАН, Москва Тел.: 333-13-66; е-таП: e.sharkov@mail.ru Поступила в редакцию 15.06.2008 г.
Рассмотрены вопросы методологии многомасштабных оптических дистанционных измерений для 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. На основе предложенных автором специальных методик обработки точечных дискретных полей центров обрушения морских волн получен и обсужден ряд принципиальных результатов, в частности, о том, что поле индивидуальных обрушений свободных гравитационных волн является строго двумерным смешанным распределением Пуассона. Показано, что физические особенности трансформации смешенного пуассоновского процесса при изменении пространственного кадра наблюдения от сотен метров до единиц могут быть интерпретированы как наличие у поля обрушения морского волнения пуассоновской компоненты с параметром интенсивности, распределенным по гамма-распределению.
ВВЕДЕНИЕ
Формирование и понимание физических особенностей стохастических моделей пространственных полей собственного излучения и обратного рассеяния электромагнитных волн взволнованной морской поверхности составляют актуальную проблему современной аэрокосмической океанологии и радиолокации [1—7]. Исследования последних лет показали несомненную важность детального изучения пространственно-временной структуры полей обрушений гравитационных морских волн на масштабах порядка десятков и сотен метров до единиц километров, характерных для поля зрения бортовых радиофизических систем [2]. Особую важность эта проблема приобретает в связи с резким увеличением пространственной разрешающей способности современных спутниковых радиолокационных систем с синтезированной апертурой вплоть до 3—5 м. С другой стороны, несомненна (но далека от полного физического понимания) связь между особенностями пространственных спектров возвышений морской поверхности с пространственными характеристиками поля обрушений. В более ранних работах [3, 8— 11] экспериментально показано, что на всех этапах разгона морского волнения пространственное поле обрушений гравитационных волн (или поле центров обрушения) может быть представлено в виде целочисленного случайного пространственного поля пуассоновского типа с равномерно распределенными и независимыми цен-
трами обрушений. Однако более детальный анализ полей центров обрушений показывает, что ситуация значительно более сложная, особенно при уменьшении пространственного кадра наблюдения полей центров обрушений, приближающегося к пространственной разрешающей способности современных спутниковых РСА.
Цель настоящей работы — на основе предлагаемой автором статистической процедуры обработки целочисленных случайных полей центров обрушения гравитационных волн выявить физические особенности трансформации смешанного пуассоновского процесса при изменении пространственного кадра наблюдения от единиц километров до единиц метров, а также представить соответствующую процедуру характеризации (интерпретации) выявленного эволюционного процесса применительно к состоянию морского волнения.
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Несмотря на определенный прогресс в течение последних 20 лет в изучении пространственно-статистических свойств полей обрушений и мелкомасштабной структуры пенно-брызговых систем, о физических свойствах и структуре морской пены и капельно-брызговых облаков известно явно недостаточно [2]. Особенно это касается пространственно-временных характеристик сто-
хастического поля обрушений гравитационных волн. Последнее объясняется в первую очередь сложностью непосредственных измерений в морских условиях и, особенно, в условиях открытого моря при сильном волнении. Тем не менее можно говорить об общем подходе в изучении процесса обрушения и пенно-брызговых структур оптическими методами, которые, наряду с акустическими, позволят получать в недалеком будущем необходимую и достаточную информацию об аэрированном и дисперсном слоях на поверхности моря и в приводном слое для нужд микроволновых дистанционных исследований.
Представляется целесообразным дать следующую классификацию оптических методов для исследования процессов обрушения гравитационных волн, проверенную в ходе выполнения целой серии натурных дистанционных экспериментов [2].
lUn I. Аэрофотосъемка с борта высотного аэроносителя для выявления закономерностей распределения центров диссипации морского волнения (обрушений гравитационных волн) на больших площадях морских акваторий (порядка нескольких кв. километров) без дифференциации по типу пенных систем.
TUn II. Аэрофотосъемка с борта малоскоростного азроносителя и перспективная съемка с борта НИС для исследования пространственно-статистических характеристик площадной и линейной геометрии пенных структур различного типа, но без выявления временной динамики.
TUn III. Исследование временной динамики процесса обрушения индивидуальных гравитационных морских волн и временной эволюции геометрических свойств отдельных дисперсных образований на морской поверхности при помощи их многократной съемки с борта НИС (кино- и фотосъемка с длиннофокусными объективами);
TUn IV. Исследование дисперсной структуры слоя аэрации и поверхностных дисперсных систем при помощи макрофотосъемки проб пенной массы, взятых с поверхности или непосредственно в поверхностном слое моря при помощи герметичных боксов.
Ввиду специфики, которую накладывают на наблюдательный процесс носители оптической аппаратуры, каждый из отмеченных выше типов дистанционных наблюдений короткоживущих дисперсных систем обладает определенными ограничениями. И в первую очередь здесь надо отметить, что наблюдения по типу I и II не выявляют временной динамики пенных, структур, поскольку при этих типах наблюдений индивидуальная пенная структура фиксируется в определенный (и неизвестный исследователю) момент собственной "жизни". И таким образом, в стати-
стику общей геометрии пенных систем, определяемую по наблюдениям типа II, как бы "вложена" статистика времени жизни пенных структур. Последняя особенность, по-видимому, в значительной степени обусловливает "размытость" статистических плотностей распределений геометрических параметров пенных систем, детальный анализ которых представлен в [2].
МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Оптическое зондирование морской поверхности в зоне развитого волнения было выполнено с самолетов-лабораторий Ан-30 (высота носителя 5100 м) и ИЛ-14 (высота носителя 400 м) 31.10.1981 г. в акватории Каспийского моря с использованием оптической аппаратуры МКФ-6 и АФА-100. Подробные анализы барической обстановки и состояния волнения, выполненные в [12], показали, что взаимодействие ветрового потока с водной поверхностью происходило в условиях пространственного разгона с выраженной устойчивой температурной стратификацией приводного слоя. Далее наблюдался переход процесса взаимодействия в режим развитого волнения, который характеризовался следующими параметрами: безразмерный разгон X0 = Xg(u10)-2 > 6 х 104; безразмерная частота максимума спектра волнения f = fmu10g-1 < < 0.13; скорость ветра на высоте 10 м u10 = 6.25 м/с при среднеквадратичном отклонении естественной изменчивости в течение срока выполнения эксперимента а = 0.73 м/с. Градиентные измерения с неподвижной платформы [12] позволяют оценить (согласно методике [13]) следующие характеристики приводного слоя: вертикальные турбулентные потоки импульса (напряжение трения) т, тепла H, влаги E и масштаб Монина—Обухова L, значения которых равны, следующим численным значениям: т = = 0.05 Н/м2; H = -22.2 Вт/м2; E = 2 ± 2.4 Вт/м2; L = = 30 м; динамическая скорость u = 0.2 м/с; масштаб пульсаций температуры T = 0.37 К и динамическое число Ричардсона Rf = 0.03.
Отсюда следует, что эксперимент проходил в условиях сильно выраженной температурной инверсии приводного слоя, устойчивой температурной стратификации (Rf > 0) при очень слабом влиянии стратификации влажности, что обусловило своеобразный турбулентный режим приводного слоя сравнительно слабого вертикального развития (L < 30). Турбулентные пульсации в значительной мере подавлены гидростатической устойчивостью; потоки влаги и тепла направлены из атмосферы к морской поверхности. Тепловой поток почти на порядок превышает поток влаги, причем последний носит пульсирующий характер. Особенности приводного слоя в полной мере отражаются на установлении вида спектра морского волнения (см. ниже и [2, 12]).
Таблица 1. Параметры распределений удельной плотности центров обрушения
№ зоны, к0 Площадь исследуемого кадра-элемента выборки Объем выборки Основные числовые характеристики распределения Тип ап-проксими-рующего закона Определяющие параметры аппроксимирующего закона
Среднее значение Дисперсия Коэффициент асимметрии Коэффициент эксцесса
1 So 39 149 2916 -0.13 -1.07 НР N = 149; а = 53
2 (1/2) So 39 73 676 -0.06 -0.95 НР N = 73; а = 26
3 (1/3) So 39 52 441 0.17 -1.0 НР N = 52; а = 21
4 (1/10^ 390 15.2 75.69 0.65 0.017 БР р = 1.02 х 10-1; п = 149
5 (1/20) So 780 76 25 0.79 0.45 БР р = 5.1 х 10-2; п = 149
6 (1/40) So 840 3.5 9 1.07 1.01 БР р = 2.3 х 10-2; п = 149
7 (1/80) So 920 1.7 3.5 1.2 1.89 ОБР р = 0.49; г = 1.65
8 (1/160^ 1920 0.86 1.7 1.09 2.5 ГР р = 0.575
9 (1/320^ 960 0.396 0.62 1.8 3.1 ГР р = 0.71
10 (1/640^ 1920 0.168 0.199 3.9 17.0 ГР р = 0.857
11 (1/1280^0 3940 0.0862 0.093 3.4 15.0 ГР р = 0.92
Примечание. НР — нормальное распределение; БР — биномиальное распределение; ОБР — отрицательное биномиальное распределение; ГР — геометрическое распределение; So = 1.49 км2.
Таблица 2. Параметры распределений удельной плотности
Номер серии с
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.