Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 6. С. 63-74
О восстановлении турбулентного потока импульса в пограничном слое атмосферы при сильном и ураганном ветре по измерениям сечения рассеяния СВЧ радиоволн поверхностью моря на ортогональной поляризации
Ю.И. Троицкая
1 , В.И. Абрамов
2, 1 , А.В. Ермошкин
1 , Э.М. Зуйкова
1 , В.И. Казаков
1 , Д.А. Сергеев
1, 3 , А.А. Кандауров
1, 3 , О.С. Ермакова
1, 3 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
2 Научно-исследовательский радиофизический институт, Нижний Новгород, Россия
3 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 03.11.2016
DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-6-63-74
На основании лабораторных экспериментов, в которых проводились одновременные измерения удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) поверхности воды на согласованной и ортогональной поляризации в Х-диапазоне и параметров турбулентного воздушного пограничного слоя для условий шторма и урагана, и сопоставления с доступными данными натурных измерений предложена геофизическая модельная функция (ГМФ), связывающая (УЭПР) на ортогональной поляризации для Х и С-диапазонов СВЧ излучения и динамическую скорость ветра u*, важнейшую характеристику, определяющую многие геофизические процессы (океанскую циркуляцию, штормовой нагон, генерацию волн, перемешивание верхнего слоя океана и т.п.). На основе зависимости УЭПР на ортогональной поляризации, представляющей собой логарифмическую функцию от динамической скорости ветра, выведены традиционные ГМФ, представляющие собой зависимости УЭПР на ортогональной поляризации от скорости ветра на стандартной метеорологической высоте 10 м. Сравнение с данными натурных измерений показало, что предложенная ГМФ для Х-диапазона подобна эмпирической ГМФ для С-диапазона. На основании этого результата предложена ГМФ, связывающая УЭПР на ортогональной поляризации в С-диапазоне и динамическую скорость ветра. Предложенная ГМФ применима для дистанционного восстановления скорости ветра в условиях шторма и урагана.
Ключевые слова: рассеяние радиоволн на морской поверхности, согласованная и ортогональная поляризация, шторм, ураган, микроволновое дистанционное зондирование, поляризация, пограничные слои атмосферы и океана, скорость ветра, касательное турбулентное напряжение ветра
Полный текстСписок литературы:
- Хинце И.О. Турбулентность. М.: Физматлит, 1963. 680 с.
- Charnock H. Wind stress on a water surface // Q. J. Roy. Meteorol. Soc. 1955. V. 81. No. 350. P. 639–640.
- Colton M.C., Plant W.J., Keller W.C., Geernaert G.L. Tower-based measurements of normalized radar cross-section from lake-Ontario – evidence of wind stress dependence // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. No. C5. P. 8791–8813.
- Fairall C.W., Bradley E.F., Hare J.E., Grachev A.A., Edson J.B. Bulk parameterization of air-sea fluxes: Updates and verification for the COARE algorithm // J. Clim. 2003. V. 16. No. 4. P. 571–591.
- Foreman R.J., Emeis S. Revisiting the Definition of the Drag Coefficient in the Marine Atmospheric Boundary Layer // J. Phys. Oceanogr. 2010. V. 40. No. 10. P. 2325–2332.
- Hersbach H., Stoffelen A., de Haan S. An improved C-band scatterometer ocean geophysical model function: CMOD5 // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. No. C3. P. C03006.
- Holthuijsen L.H., Powell M.D., Pietrzak J.D. Wind and waves in extreme hurricanes // J. Geophys. Res. Ocean. 2012. V. 117. No. C9. P. C09003.
- Hwang P.A., Zhang B., Toporkov J.V., Perrie W. Comparison of composite Bragg theory and quad-polarization radar backscatter from RADARSAT-2: With applications to wave breaking and high wind retrieval // J. Geophys. Res. Ocean. 2010. V. 115. No. 8. DOI: 10.1029/2009JC005995.
- Hwang P.A., Zhang B., Perrie W. Depolarized radar return for breaking wave measurement and hurricane wind retrieval // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. No. 1. DOI: 10.1029/2009GL041780
- Jones W.L., Schroeder L.C. Radar backscatter from the ocean: Dependence on surface friction velocity // Boundary-Layer Meteorol. 1978. V. 13. No. 1–4. P. 133–149.
- Large W.G., Pond S. Open Ocean Momentum Flux Measurements in Moderate to Strong Winds // J. Phys. Oceanogr. 1981. V. 11. No. 3. P. 324–336.
- Liu W.T. Progress in scatterometer application // J. Oceanogr. 2002. V. 58. No. 1. P. 121–136.
- Liu W.T., Tang W. Relating Wind and Stress under Tropical Cyclones with Scatterometer // J. Atmos. Ocean. Technol. 2016. V. 33. No. 6. P. 1151–1158.
- Liu W.T., Xie X. Sea Surface Wind/Stress Vector // Encyclopedia of Remote Sensing. 2014. P. 759–767.
- Liu W.T., Xie X., Tang W. Scatterometer’s unique capability in measuring ocean surface stress // Oceanography from Space: Revisited / V. Barale, J.F.R. Gower, L. Alberotanza (Eds.). Springer, 2010. P. 93–111.
- Monahan E.C., Muircheartaigh I. Optimal Power-Law Description of Oceanic Whitecap Coverage Dependence on Wind Speed // J. Phys. Oceanogr. 1980. V. 10. P. 2094–2099.
- Moon I.-J., Kwon J.-I., Lee J.-C., Shim J.-S., Kang S.K., Oh I.S., Kwon S.J. Effect of the surface wind stress parameterization on the storm surge modeling // Ocean Model. 2009. V. 29. No. 2. P. 115–127.
- Plant W.J. A relationship between wind stress and wave slope // J. Geophys. Res. 1982. V. 87. No. C3. P. 1961–1967.
- Richter D.H., Bohac R., Stern D.P. An assessment of the flux profile method for determining air-sea momentum and enthalpy fluxes from dropsonde data in tropical cyclones // J. Atmos. Sci. 2016. V. 73. No. 7. P. JAS–D–15–0331.1.
- Sverdrup H.U. Wind-Driven Currents in a Baroclinic Ocean; with Application to the Equatorial Currents of the Eastern Pacific // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1947. V. 33. No. 1. P. 318–326.
- Tallapragada V., Bernardet L., Biswas M.K., Ginis I., Kwon Y., Liu Q., Marchok T., Sheinin D., Thomas B., Tong M., Trahan S., Wang W., Yablonsky R., Zhang X. Hurricane Weather Research and Forecasting (HWRF) Model: 2015 Scientific Documentation. 2015. 113 p.
- Troitskaya Yu., Abramov V., Ermoshkin A., Zuikova E. Laboratory modelling of cross-polarized radar return at severe wind conditions // 2014 IEEE Geosci. Remote Sens. Symp. 2014. P. 3894–3897.
- Troitskaya Yu., Abramov V., Ermoshkin A., Zuikova E., Kazakov V., Sergeev D., Kandaurov A., Ermakova O. Laboratory study of cross-polarized radar return under gale-force wind conditions // Int. J. Remote Sens. 2016. V. 37. No. 9. P. 1981–1989.
- Troitskaya Y.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. Ocean. 2012. V. 117. No. C11. C00J21.
- Vachon P.W., Wolfe J. C-band cross-polarization wind speed retrieval // IEEE Geosci. Remote Sens. Lett. 2011. V. 8. No. 3. P. 456–459.
- Weissman D.E., Davidson K. L., Brown R.A., Friehe C.A., Li F. The relationship between the microwave radar cross section and both wind speed and stress: Model function studies using Frontal Air-Sea Interaction Experiment data // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. No. C5. P. 10087–10108.
- van Zadelhoff G.-J., Stoffelen A., Vachon P.W., Wolfe J., Horstmann J., Belmonte Rivas M. Scatterometer hurricane wind speed retrievals using cross polarization // Atmos. Meas. Tech. Discuss. 2013. V. 6. No. 4. P. 7945–7984.
- Zhang B., Perrie W., Zhang J.A., Uhlhorn E.W., He Y. High-Resolution hurricane vector winds from C-band dual-polarization SAR observations // J. Atmos. Ocean. Technol. 2014. V. 31. No. 2. P. 272–286.
- Zhang B., Perrie W. Cross-Polarized Synthetic Aperture Radar: A New Potential Measurement Technique for Hurricanes // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2012. V. 93. No. 4. P. 531–541.