Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 5. С. 243-254
Геофизические модельные функции зависимости микроволнового излучения холодного океана от скорости ветра на частотах K- и Ka-диапазонов для угла 55°
Е.В. Заболотских
1 , Б. Шапрон
2, 1 1 Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург, Россия
2 Французский научно-исследовательский институт по эксплуатации морских ресурсов, Плузане, Франция
Одобрена к печати: 07.07.2019
DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-5-243-254
Геофизические модельные функции (ГМФ) зависимости микроволнового излучения океана от скорости ветра на частотах K- и Ka-диапазонов для угла 55° определялись на основе измерений спутникового микроволнового радиометра Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2) над свободной ото льда поверхностью океана в условиях Арктики при температурах поверхности океана (ТПО), не превышающих 10 °С. Для оценки коэффициента излучения океана микроволновое излучение поверхности рассчитывалось с применением физического моделирования радиояркостной температуры системы «океан – атмосфера». Результаты моделирования позволили оценить излучение поверхности на частотах 18,7; 23,8 и 36,5 ГГц на вертикальной и горизонтальной поляризации при известных параметрах атмосферы, в качестве которых использовались данные реанализа ERA-Interim. Этим оценкам были сопоставлены скорости приводного ветра (V), восстановленные применением разработанного ранее алгоритма восстановления V по данным измерений AMSR2 на частотах 6,9 и 10,65 ГГц. Результирующие ГМФ сравнивались с опубликованной широко используемой моделью. Обнаружена более существенная зависимость ГМФ от ТПО: при ТПО < 4 °С различия в ГМФ не наблюдаются, но при 4 < ТПО < 10 °С с ростом температуры чувствительность коэффициента излучения к скорости ветра падает для всех частот как на горизонтальной, так и на вертикальной поляризации. Результирующие регрессионные прямые имеют положительный уклон. Чувствительность горизонтально поляризованного сигнала к скорости ветра более чем в 2 раза превышает чувствительность вертикально поляризованного сигнала.
Ключевые слова: микроволновое излучение, геофизические модельные функции, приводный ветер, Арктика, спутниковые микроволновые радиометры, радиояркостные температуры, AMSR2, физическое моделирование
Полный текстСписок литературы:
- 1. Кузьмин А. В. Репина И. А., Садовский И. Н., Селунский А. Б. Микроволновые радиометрические исследования морской поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 5. С. 76–97.
- Садовский И. Н. Методика дистанционного определения характеристик ветрового волнения: 1. Расчет радиояркостных контрастов взволнованной водной поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2008. Т. 2. № 5. С. 192–198.
- Сазонов Д. С. (2017a) Корреляционный анализ экспериментальных дистанционных измерений и моделей микроволнового излучения взволнованной водной поверхности // Исслед. Земли из космоса. 2017. № 3. С. 53–64.
- Сазонов Д. С. (2017б) Моделирование микроволнового излучения взволнованной морской поверхности на основе экспериментальных данных // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 3. С. 271–287.
- Сазонов Д. С. Многопараметрическая модель радиотеплового излучения взволнованной морской поверхности: анализ спутниковой информации и надводных измерений: дис. … канд. физ.-мат. наук. М., 2018. 138 с.
- Синькевич А. А., Степаненко В. Д., Довгалюк Ю. А. Вопросы физики облаков. 50 лет отделу физики облаков ГГО. СПб.: Астерион, 2008. 513 с.
- Степаненко В. Д., Щукин Г. Г., Бобылев Л. П., Матросов С. Ю. Радиотеплолокация в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 284 с.
- Anguelova M. D., Gaiser P. W. Dielectric and Radiative Properties of Sea Foam at Microwave Frequencies: Conceptual Understanding of Foam Emissivity // Remote Sensing. 2012. V. 4. Iss. 5. P. 1162–1189.
- Aziz M. A., Reising S. C., Asher W. E., Rose L. A., Gaiser P. W., Horgan K. A. Effects of air-sea interaction parameters on ocean surface microwave emission at 10 and 37 GHz // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2005. V. 43. Iss. 8. P. 1763–1774.
- El-Nimri S. F., Jones W. L., Uhlhorn E., Ruf C., Johnson J., Black P. An improved C-band ocean surface emissivity model at hurricane-force wind speeds over a wide range of earth incidence angles // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2010. V. 7. Iss. 4. P. 641–645.
- Grodsky S. A., Kudryavtsev V. N., Bentamy A., Carton J. A., Chapron B. Does direct impact of SST on short wind waves matter for scatterometry? // Geophysical Research Letters. 2012. V. 39. Iss. 12. DOI: 10.1029/2012GL052091.
- Gupta M., Scharien R. K., Barber D. G. Microwave Emission and Scattering from Ocean Surface Waves in the Southern Beaufort Sea // Intern. J. Oceanography. 2014. V. 2014. Article ID 872342. 12 p. URL: https://doi.org/10.1155/2014/872342.
- Hollinger J. P. Passive microwave measurements of sea surface roughness // IEEE Trans. Geoscience and Electronics. 1971. V. 9. Iss. 3. P. 165–169.
- Liu Q., Weng F., English S. J. An Improved Fast Microwave Water Emissivity Model // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2011. V. 49. Iss. 4. P. 1238–1250.
- Meissner T., Wentz F. J. The emissivity of the ocean surface between 6 and 90 GHz over a large range of wind speeds and earth incidence angles // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2012. V. 50. Iss. 8. P. 3004–3026.
- Nordberg W., Conaway J., Ross D. B., Wilheit T. Measurements of microwave emission from a foam-covered, wind-driven sea // J. Atmospheric Sciences. 1971. V. 28. Iss. 3. P. 429–435.
- Padmanabhan S., Reising S. C., Asher W. E., Rose L. A., Gaiser P. W., Bobak J. P., Anguelova M. Azimuthal dependence of the microwave emission from foam generated by breaking waves at 18.7 and 37 GHz // Proc. IEEE MicroRad. 2006. P. 131–136.
- Petty G. W., Katsaros K. B. The Response of the SSM/I to the Marine Environment. Part II: A Parameterization of the Effect of the Sea Surface Slope Distribution on Emission and Reflection // J. Atmospheric and Ocean Technology. 1994. V. 11. Iss. 3. P. 617–628.
- Plant W. J., Irisov V. A joint active/passive physical model of sea surface microwave signatures // J. Geophysical Research: Oceans. 2017. V. 122. Iss. 4. P. 3219–3239.
- Raizer V. Macroscopic Foam–Spray Models for Ocean Microwave Radiometry // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2007. V. 45. Iss. 10. P. 3138–3144.
- Reul N., Chapron B., Zabolotskikh E., Donlon C., Quilfen Y., Guimbard S., Piolle J.-F. A revised L-band radio-brightness sensitivity to extreme winds under Tropical Cyclones: the five year SMOS-storm database // Remote Sensing of Environment. 2016. V. 180. P. 274–291.
- Rosenkranz P. W. Rough-sea microwave emissivities measured with the SSM/I // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1992. V. 30. Iss. 5. P. 1081–1085.
- Spreen G., Kaleschke L., Heygster G. Sea ice remote sensing using AMSR-E 89-GHz channels // J. Geophysical Research Atmospheres. 2008. V. 113. Iss. C2. DOI: 10.1029/2005JC003384.
- Stogryn A. The apparent temperature of the sea at microwave frequencies // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1967. V. 15. Iss. 2. P. 278–286.
- Ulaby F. T., Moore R. K., Fung A. K. Microwave remote sensing: Active and passive. Volume I: Microwave remote sensing fundamentals and radiometry. Reading, MA: Addison-Wesley Publishing Co., 1981. 470 p.
- Webster Jr. W. J., Wilheit T. T., Ross D. B., Gloersen P. Spectral characteristics of the microwave emission from a wind-driven foam-covered sea // J. Geophysical Research. 1976. V. 81. Iss. 18. P. 3095–3099.
- Wilheit T. T. A model for the microwave emissivity of the ocean’s surface as a function of wind speed // IEEE Trans. Geoscience and Electronics. 1979. V. 17. Iss. 4. P. 244–249.
- Zabolotskikh E. V., Chapron B. New Geophysical Model Function for Ocean Emissivity at 89 GHz Over Arctic Waters // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2018. V. 16. Iss. 4. P. 573–576.
- Zabolotskikh E. V., Mitnik L. M., Chapron B. New approach for severe marine weather study using satellite passive microwave sensing // Geophysical Research Letters. 2013. V. 40. Iss. 13. P. 3347–3350.
- Zabolotskikh E. V., Mitnik L. M., Chapron B. GCOM-W1 AMSR2 and MetOp-A ASCAT wind speeds for the extratropical cyclones over the North Atlantic // Remote Sensing of Environment. 2014. V. 147. P. 89–98.
- Zabolotskikh E. V., Reul N., Chapron B. Geophysical Model Function for the AMSR2 C-Band Wind Excess Emissivity at High Winds // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2016. V. 13. Iss. 1. P. 78–81.