Архив
Том 21, 2024
Том 20, 2023
Том 19, 2022
Том 18, 2021
Том 17, 2020
Том 16, 2019 г.
Том 15, 2018 г.
Том 14, 2017 г.
Том 13, 2016 г.
Том 12, 2015 г.
Том 11, 2014 г.
Том 10, 2013 г.
Том 9, 2012 г.
Том 8, 2011 г.
Том 7, 2010 г.
Выпуск 6, 2009 г.
Выпуск 5, 2008 г.
Выпуск 4, 2007 г.
Выпуск 3, 2006 г.
Выпуск 2, 2005 г.
Выпуск 1, 2004 г.
Поиск
Найти:
Подписка/отписка
на рассылку новостей
ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 2. С. 189-204

Измерение статистических характеристик морской поверхности с помощью подводного акустического волнографа в Чёрном море и сравнение с ADCP

М.С. Рябкова 1 , Ю.А. Титченко 1 , В.Ю. Караев 1 , Е.М. Мешков 1 , Р.В. Беляев 1 , А.А. Яблоков 1 , В.И. Баранов 2 , В.В. Очередник 2 
1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
2 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия
Одобрена к печати: 30.10.2020
DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-2-189-204
В статье приведено сравнение статистических характеристик поверхностного волнения, измеренных подводным акустическим волнографом и акустическим доплеровским измерителем течения (ADCP) в ходе проведения долгосрочного мониторинга состояния морской поверхности на полигоне «Геленджик» в Чёрном море. Акустический волнограф был установлен на полигоне «Геленджик» Южного отделения Института океанографии РАН в 2019 г. Для измерения волнения на полигоне применяется ADCP RDI WHS-600 с функцией измерения волнения. Оба прибора работают в ультразвуковом диапазоне частот, однако используют разные схемы измерений. Подводный акустический волнограф определяет расстояние до поверхности по времени прихода отражённого сигнала вертикального канала, а в ADCP используются измерения отражённого акустического сигнала с четырёх наклонных излучателей (режим Echo) и измеренный спектр скоростей (режим Velocity). Акустический волнограф измеряет ненаправленный спектр волнения, а ADCP позволяет определить направленный спектр волнения. По измеренному ADCP спектру волнения можно рассчитать параметры крупных волн (>12 м). Было проведено сравнение спектров волнения и вычисленных по ним интегральных характеристик: высоты значительного волнения, дисперсии вертикальной составляющей орбитальной скорости, значительного и среднего периодов волнения за 1–10 февраля 2020 г. Показано, что статистические характеристики волнения, измеренные двумя приборами, близки. Измерения подводного акустического волнографа и результаты работы двух разных алгоритмов обработки данных ADCP (в режимах Echo и Velocity) различаются не сильнее, чем измерения двух алгоритмов между собой. Спектры, измеренные двумя приборами, различаются в области пика, но спадают одинаково. Однако спектры, восстановленные разными методами по данным ADCP, также различаются, что позволяет предположить, что в данном случае форма восстанавливаемого спектра существенно зависит от алгоритма обработки. В дальнейшем планируется рассмотреть этот вопрос подробнее и провести сравнение измерений подводного акустического волнографа с измерениями струнного волнографа.
Ключевые слова: морская поверхность, ADCP, подводный акустический волнограф, значительная высота волнения, период волнения, спектр волн, ветровые волны, дисперсия вертикальной составляющей орбитальной скорости, значительный период волнения, средний период волнения
Полный текст

Список литературы:

  1. Баранов В. И., Куклев С. Б., Зацепин А. Г., Подымов О. И., Очередник В. В. Кабельная система берегового мониторинга состояния водной среды в режиме реального времени // Современные методы и средства океанологических исследований. 2015. Т. 1. С. 14–16.
  2. Зацепин А. Г., Островский А. Г., Кременецкий В. В., Низов С. С., Пиотух В. Б., Соловьев В. А., Швоев Д. А., Цибульский А. Л., Куклев С. Б., Куклева О. Н., Москаленко Л. В., Подымов О. И., Баранов В. И., Кондрашов А. А., Корж А. О., Кубряков А. А., Соловьев Д. М., Станичный С. В. Подспутниковый полигон для изучения гидрофизических процессов в шельфово-склоновой зоне Черного моря // Изв. Российской акад. наук. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. № 1. С. 16–29. DOI: 10.31857/S0030157420010013.
  3. Караев В. Ю., Каневский Е. М., Мешков Е. М. Измерение параметров поверхностного волнения подводными акустическими системами: обсуждение концепции прибора // Изв. высш. учеб. заведений. Радиофизика. 2010. Т. 53. № 9–10. C. 634–645.
  4. Караев В. Ю., Мешков Е. М., Титченко Ю. А. Подводный акустический высотомер // Изв. высш. учеб. заведений. Радиофизика. 2014. Т. 57. № 7. C. 543–554.
  5. Караев В. Ю., Титченко Ю. А., Мешков Е. М., Панфилова М. А., Рябкова М. С. Доплеровский спектр радиолокационного сигнала, отражённого морской поверхностью при малых углах падения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 6. С. 221–234. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-6-221-234.
  6. Коровин В. П. Океанологические наблюдения в прибрежной зоне моря: учеб. пособие. СПб.: Изд во РГГМУ, 2007. 434 с.
  7. Титченко Ю. А., Караев В. Ю. Метод определения параметров морского волнения с помощью модифицированного акустического волнографа // Изв. высш. учеб. заведений. Радиофизика. 2012. Т. 55. № 8. C. 544–554.
  8. Acoustic Doppler Current Profiler Principles of Operation A Practical Primer. P/N 951-6069-00. Teledyne RD Instruments, 2011. 56 p. URL: https://www.comm-tec.com/Docs/Manuali/RDI/BBPRIME.pdf.
  9. Badulin S. I. A physical model of sea wave period from altimeter data // J. Geophysical Research: Oceans. 2014. V. 119. P. 856–869. DOI: 10.1002/2013JC009336.
  10. Bass F. G., Fuks I. M. Scattering of Waves by Statistically Rough Surfaces. Oxford: Pergamon Press, 1979. 540 p.
  11. Birch R., Fissel D. B., Borg K., Lee V., English D. The Capabilities of Doppler Current Profilers for Directional Wave Measurements in Coastal and Nearshore Waters // Oceans ‘04 MTS/IEEE Techno-Ocean’04. Kobe Japan. 2004. P. 1–10. DOI: 10.1109/OCEANS.2004.1406330.
  12. Brown G. The average impulse response of a rough surface and its applications // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1977. V. 25. P. 67–74.
  13. Chapron B., Johnsen H., Garello R. Wave and wind retrieval from SAR images of the ocean // Annales Des Télécommunications. 2001. V. 56. P. 682–699.
  14. Dally W. R., Osiecki D. A. Comparison of Deep-water ADCP and NDBC Buoy Measurements to Hindcast Parameters // Proc. Intern. Workshop on Wave Hindcasting and Forecasting. 2004. 12 p.
  15. Essenwanger O. M. Elements of statistical analysis. Amsterdam: Elsevier, 1986. 424 p.
  16. Gommenginger C. P., Srokosz M. A., Challenor P. G., Cotton P. D. Measuring ocean wave period with satellite altimeters: A simple empirical model // Geophysical Research Letters. 2003. V. 30. No. 22. P. 2150. DOI: 10.1029/2003GL017743.
  17. Handbook of Automated Data Quality Control Checks and Procedures. NDBC Technical Document 09-02. NDBC, 2009. 78 p. URL: https://www.ndbc.noaa.gov/NDBCHandbookofAutomatedDataQualityControl2009.pdf.
  18. Hasselmann S., Brüning C., Hasselmann K., Heimbach P. An improved algorithm for the retrieval of ocean wave spectra from synthetic aperture radar image spectra // J. Geophysical Research: Oceans. 1996. V. 101. P. 16615–16629.
  19. Hersbach H. Comparison of C-Band Scatterometer CMOD5.N Equivalent Neutral Winds with ECMWF // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2010. V. 27. P. 721–736. DOI: 10.1175/2009JTECHO698.1.
  20. Hwang P. A., Teague W. J., Jacobs G. A., Wang D. W. A statistical comparison of wind speed, wave height, and wave period derived from satellite altimeters and ocean buoys in the Gulf of Mexico region // J. Geophysical Research: Oceans. 1998. V. 103. P. 10451–10468.
  21. Karaev V. Y., Panfilova M. A., Jie G. Influence of the type of sea waves on the backscattered radar cross section at medium incidence angles // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. V. 52. P. 904–910. DOI: 10.1134/S0001433816090139.
  22. Lemaire D., Sobieski P., Guissard A. Full-range sea surface spectrum in nonfully developed state for scattering calculations // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1999. V. 37. P. 1038–1051.
  23. Mouche A., Chapron B. Global C-Band Envisat, RADARSAT-2 and Sentinel-1 SAR measurements in copolarization and cross-polarization // J. Geophysical Research: Oceans. 2015. V. 120. P. 7195–7207. DOI: 10.1002/2015JC011149.
  24. Quilfen Y., Chapron B., Collard F., Serre M. Calibration/Validation of an Altimeter Wave Period Model and Application to TOPEX/Poseidon and Jason-1 Altimeters // Marine Geodesy. 2004. V. 27. P. 535–549. DOI: 10.1080/01490410490902025.
  25. Romeiser R., Graber H. C., Caruso M. J., Jensen R. E., Walker D. T., Cox A. T. A New Approach to Ocean Wave Parameter Estimates From C-Band ScanSAR Images // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2015. V. 53. P. 1320–1345. DOI: 10.1109/TGRS.2014.2337663.
  26. Ryabkova M., Titchenko Y., Meshkov E., Panfilova M., Karaev V. Simultaneous Doppler Spectra Measurements of the Backscattered Signal at Low Incidence Angles Using Microwave Radars and an Ultrasonic Underwater Wave Gauge // Proc. OCEANS 2019. 17–20 June 2019, Marseille, France. 2019. P. 1–4. DOI: 10.1109/OCEANSE.2019.8867240.
  27. Schulz-Stellenfleth J., König T., Lehner S. An empirical approach for the retrieval of integral ocean wave parameters from synthetic aperture radar data // J. Geophysical Research: Oceans. 2007. V. 112. C03019. DOI: 10.1029/2006JC003970.
  28. Stoffelen A., Anderson D. Scatterometer data interpretation: Estimation and validation of the transfer function CMOD4 // J. Geophysical Research: Oceans. 1997. V. 102. P. 5767–5780.
  29. Strong B., Brumley B., Terray E., Stone G. The performance of ADCP-derived directional wave spectra and comparison with other independent measurements // Proc. OCEANS 2000 MTS/IEEE Conf. and Exhibition. 11–14 Sept. 2000, Providence, RI, USA. 2000. P. 1195–1203. DOI: 13.1109/OCEANS.2000.881763.
  30. Terray E., Brumley B., Strong B. Measuring waves and currents with an upward-looking ADCP // Oceanology International’98. 1998. V. 2. P. 261–269.
  31. Titchenko Y. A., Karaev V. Y., Meshkov E. M., Zuikova E. M. Measuring the Variance of the Vertical Orbital Velocity Component by an Acoustic Wave Gauge with a Single Transceiver Antenna // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2015. V. 53. No. 8. P. 4340–4347. DOI: 10.1109/TGRS.2015.2396120.
  32. Titchenko Y., Karaev V., Ryabkova M., Kuznetsova A., Meshkov E. (2019a) Peculiarities of the Acoustic Pulse Formation Reflected by the Water Surface: a Numerical Experiments and the Results of Long-term Measurements Using the “Kalmar” Sonar // Proc. OCEANS 2019. 17–20 June 2019, Marseille, France. 2019. P. 1–7. DOI: 10.1109/OCEANSE.2019.8867467.
  33. Titchenko Y., Karaev V., Ryabkova M., Meshkov E. (2019b) Measurements of the Sea Surface Parameters Using a New Modification of Underwater Sonar on a Marine Platform in the Black Sea // Proc. OCEANS 2019. 17–20 June 2019, Marseille, France. 2019. P. 1–7. DOI: 10.1109/OCEANSE.2019.8867195.
  34. Titchenko Y., Karaev V., Ryabkova M., Panfilova M., Meshkov E., Yablokov A. (2019c) Experimental study of the possibility of using an underwater acoustic wave gauge in freezing waters to measure the thickness of the ice cover // Proc. OCEANS 2019. 17–20 June 2019, Marseille, France. 2019. P. 1–7. DOI: 10.1109/OCEANSE.2019.8867337.
  35. Valenzuela G. Theories for interaction of electromagnetic and oceanic waves: A review // Boundary Layer Meteorology. 1978. V. 13. P. 61–86.
  36. Wang J., Aouf L., Jia Y., Zhang Y. Validation and Calibration of Significant Wave Height and Wind Speed Retrievals from HY2B Altimeter Based on Deep Learning // Remote Sensing. 2020. V. 12(17). Art. No. 2858. 12 p. DOI: 10.3390/rs12172858.
  37. Wang H., Wang J., Yang J., Ren L., Zhu J., Yuan X., Xie C. Empirical Algorithm for Significant Wave Height Retrieval from Wave Mode Data Provided by the Chinese Satellite Gaofen-3 // Remote Sensing. 2018. V. 10(3). Art. No. 363. 23 p. DOI: 10.3390/rs10030363.
  38. Waves User’s Guide. P/N 957-6148-00. Teledyne RD Instruments, 2001. 74 p. URL: https://www.comm-tec.com/Prods/mfgs/RDI/Software/Manuals/Waves-Manual/Waves%20Users%20Guide.pdf.
  39. WelchP. The use of fast Fourier transform for the estimation of power spectra: A method based on time averaging over short, modified periodograms // IEEE Trans. Audio and Electroacoustics. 1967. V. 15. No. 2. P. 70–73. DOI: 10.1109/TAU.1967.1161901.
  40. Yang J., Zhang J. Validation of Sentinel-3A/3B Satellite Altimetry Wave Heights with Buoy and Jason-3 Data // Sensors. 2019. V. 19(13). Art. No. 2914. 14 p. DOI: 10.3390/s19132914.
  41. Zhang B., Li X., Perrie W., He Y. Synergistic measurements of ocean winds and waves from SAR // J. Geophysical Research: Oceans. 2015. V. 120. P. 6164–6184. DOI: 10.1002/2015JC011052.