1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Доклады Российской академии наук. Науки о Земле
  4. T. 513, № 1, 2023

Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 513, № 1, стр. 139-145

Композитная модель рассеяния радиоволн СВЧ-диапазона на водной поверхности при экстремальных скоростях ветра

Н. С. Русаков 1, *, Г. А. Байдаков 1, Ю. И. Троицкая 1

1 Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук
Нижний Новгород, Россия

* E-mail: nikitarusakov@ipfran.ru

Поступила в редакцию 01.08.2023
После доработки 03.08.2023
Принята к публикации 04.08.2023

Аннотация

На Ветро-волновом канале Большого термостратифицированного бассейна ИПФ РАН проведены эксперименты, направленные на изучение механизмов рассеяния СВЧ-излучения водной поверхностью на ортогональной поляризации в условиях экстремально высоких скоростей ветра. Показано, что удельную эффективную площадь рассеяния (УЭПР) можно представить как результат некогерентного сложения вкладов от обрушающихся гребней волн и от необрушающихся ветровых волн. Эффект выглаживания поверхности воды после прохождения обрушающегося гребня позволил измерить УЭПР области обрушения на ортогональной поляризации, при этом не было выявлено зависимости УЭПР от скорости ветра и угла зондирования. УЭПР на необрушающихся ветровых волнах рассчитана в рамках модели малых уклонов c использованием экспериментально измеренных спектров ветрового волнения. Показано, что УЭПР на ортогональной поляризации монотонно нарастает с ростом скорости ветра, в том числе, и при ураганных условиях. При этом вклад в УЭПР необрушающихся ветровых волн испытывает насыщение при скорости ветра выше 25 м/с. Монотонный рост УЭПР при более высоких скоростях ветра связан с увеличением площади поверхности, занятой обрушениями. Построена композитная модель рассеяния СВЧ-излучения на взволнованной водной поверхности, которая верифицирована на основе сопоставления с данными измерений. Показана возможность построения геофизической модельной функции для условий океана на базе предложенной композитной модели, которая может быть использована при дистанционном измерении скорости ветра в условиях морского шторма и урагана, в том числе, с помощью инструментов космического базирования.

Ключевые слова: рассеяние радиоволн, обрушение волны, поляризация СВЧ-излучения, лабораторное моделирование, дистанционное зондирование, геофизическая модельная функция

Список литературы

  1. Zhang B., Perrie W. Cross-polarized synthetic aperture radar: a new potential technique for hurricanes // Bulletin of the American Meteorological Society. V. 93. № 4. P. 531–541.

  2. Hwang P.A., Zhang B., Perrie W. Depolarized radar return for breaking wave measurement and hurricane wind retrieval // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. L01604. 4 pp. https://doi.org/10.1029/2009GL041780

  3. Mouche A., Chapron B., Knaff J., Zhao Y., Zhang B., Combot C. Copolarized and cross-polarized SAR measurements for high-resolution description of major hurricane wind structures: Application to Irma category 5 hurricane // Journal of Geophysical Research: Oceans. V. 124. P. 3905–3922.https://doi.org/10.1029/2019JC015056

  4. Troitskaya Yu., Abramov V., Baidakov G., Ermakova O., Zuikova E., Sergeev D., Ermoshkin A., Kazakov V., Kandaurov A., Rusakov N., Poplavsky E., Vdovin M. Cross-Polarization GMF For High Wind Speed and Surface Stress Retrieval // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2018. V. 123. № 8. August 2018, https://doi.org/10.1029/2018JC014090

  5. http://www.ckp-rf.ru/usu/77738/

  6. Ermakov S.A., Dobrokhotov V.A., Sergievskaya I.A., Kapustin I.A. Suppression of Wind Ripples and Microwave Backscattering Due to Turbulence Generated by Breaking Surface Waves // Remote Sensing. 2020. V. 12. № 21. P. 3618.

  7. Воронович А.Г. Приближение малых наклонов в теории рассеяния волн на неровных поверхностях // ЖЭТФ. 1985. Т. 89. № 1 (7). С. 116–125.

  8. Voronovich A.G., Zavorotny V.U. Theoretical Model for Scattering of Radar Signals in Ku- and C-bands from a Rough Sea Surface with Breaking Waves. // Waves in Random Media – WAVE RANDOM MEDIA. 2001. 11. https://doi.org/10.1080/13616670109409784

  9. Voronovich Alexander, Zavorotny Valery. Full-Polarization Modeling of Monostatic and Bistatic Radar Scattering from a Rough Sea Surface // Antennas and Propagation. 2015. IEEE Transactions on. 62. 1362–1371. https://doi.org/10.1109/TAP.2013.2295235

  10. Shira Lynn Broschat, Eric I. Thorsos. An investigation of the small slope approximation for scattering from rough surfaces. Part II. Numerical studies // J. Acoust. Soc. Am. 1997. 101 (5).

  11. Guérin C.-A., Johnson J.T. A Simplified Formulation for Rough Surface Cross-Polarized Backscattering Under the Second-Order Small-Slope Approximation // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. V. 53. № 11. P. 6308–6314. Nov. 2015. https://doi.org/10.1109/TGRS.2015.2440443

  12. Troitskaya Yu.I., Sergeev D.A., Kandaurov A.A., Baidakov G.A., Vdovin M.A., Kazakov V.I. Laboratory and Theoretical Modeling of Air-sea Momentum Transfer under Severe Wind Conditions // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. C00J21. 13 p. https://doi.org/10.1029/2011JC007778

  13. Байдаков Г.А., Кандауров А.А., Кузнецова А.М., Сергеев Д.А., Троицкая Ю.И. Натурные исследования особенностей ветрового волнения при малых значениях разгонах // Изв. РАН Серия физическая. 2018. Т. 82. № 11. С. 1569–1573.

  14. Donnelly W.J., Carswell J.R., McIntosh R.E., Chang P.S., Wilkerson J., Marks F., and Black P.G. Revised Ocean Backscatter Models at C and Ku Band under High-wind Conditions // J. Geophys. Res. 1999. V. 104 (C5). P. 11485–11497.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Доклады Российской академии наук. Науки о Земле

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал