Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 2. С. 212-222
Об определении скоростей течений при микроволновом зондировании морской поверхности при умеренных углах падения
И.А. Сергиевская
1, 2, 3 , С.А. Ермаков
1, 2, 3 , Л.М. Плотников
1, 3 , И.А. Капустин
1, 4, 3 , А.В. Ермошкин
1, 3 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
2 Волжский государственный университет водного транспорта, Нижний Новгород, Россия
3 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского , Нижний Новгород, Россия
4 Волгоградский государственный университет, Волгоград, Россия
Одобрена к печати: 27.04.2022
DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-2-212-222
Определение скоростей и структуры поверхностных течений по данным микроволновых радиолокаторов — одна из важных проблем дистанционного зондирования морской поверхности. В статье представлены некоторые результаты измерений скоростей поверхностных течений по доплеровским спектрам, полученным поляризационным многочастотным радиолокатором (X-/C-/S-диапазоны) при умеренных углах падения излучения (40–70°) в направлении навстречу ветру и сравнение их с независимыми измерениями поверхностных течений с помощью акустического доплеровского профилографа течений (ADCP). Скорости радиолокационных рассеивателей определялись по центру тяжести доплеровского спектра (доплеровскому сдвигу) обратно рассеянного сигнала на VV- и HH-поляризациях, а затем для брэгговской (поляризованной) и небрэгговской (неполяризованной) компонент. Показано, что скорость течения, восстановленная по доплеровским сдвигам брэгговской компоненты после вычитания собственной скорости брэгговских волн, хорошо согласуется с данными независимых измерений. Для неполяризованной компоненты скорость рассеивателей близка к сумме скорости поверхностного течения и скорости дециметровых волн с длинами 10–70 см, резкое изменение скорости рассеивателей наблюдается при скоростях ветра порядка 5–7 м/с. Последнее объясняется вкладом в рассеяние неполяризованной компоненты, связанной с мелкомасштабными обрушениями, двигающимися со скоростью коротких дециметровых волн (20–30 см), и отдельными сильными обрушениями волн (пенными гребнями), двигающимися со скоростями метровых волн. При скоростях ветра, при которых на поверхности появляются сильные обрушения, средневзвешенная скорость рассеивателей резко увеличивается из-за появления быстрых рассеивателей.
Ключевые слова: трёхчастотный микроволновый поляризационный доплеровский радиолокатор, скорости брэгговских (поляризованных) и небрэгговских (неполяризованных) рассеивателей, поверхностное течение
Полный текстСписок литературы:
- Басс Ф. Г., Фукс И. М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
- Ермаков С. А., Сергиевская И. А., Зуйкова Э. М., Щегольков Ю. Б. Модуляция радиолокационных сигналов длинными волнами при рассеянии на морской поверхности, покрытой пленками поверхностно-активных веществ // Изв. Российской акад. наук. Физика атмосферы и океана. 2004. Т. 40. № 1. С. 102–111.
- Ермошкин А. В., Капустин И. А., Мольков А. А., Богатов Н. А. Определение скорости течения на морской поверхности доплеровским радиолокатором X-диапазона // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13. № 3. С. 93–103. DOI: 10.7868/S2073667320030089.
- Chapron F., Collard F., Ardhuin F. Direct measurements of ocean surface velocity from space: Interpretation and validation // J. Geophysical Research: Oceans. 2005. V. 110. No. C7. https://doi.org/10.1029/2004JC002809.
- Ermakov S. A., Sergievskaya I. A., Dobrokhotov V. A., Lazareva T. N. Wave Tank Study of Steep Gravity-Capillary Waves and Their Role in Ka-Band Radar Backscatter // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2021. V. 60. Art. No. 3086627. 12 p. DOI: 10.1109/TGRS.2021.3086627.
- Fois F., Hoogeboom P., Le Chevalier F., Stoffelen A. An analytical model for the description of the full polarimetric sea surface Doppler signature // J. Geophysical Research: Oceans. 2015. V. 120. P. 988–1015. DOI: 10.1002/2014JC010589.
- Hara T., Plant W. J. Hydrodynamic modulation of short wind-wave spectra by long waves and its measurement using microwave backscatter // J. Geophysical Research: Oceans. 1994. V. 99. No. C5. P. 9767–9784. DOI: 10.1029/93JC03514.
- Kapustin I. A., Shomina O. V., Ermoshkin A. V., Bogatov N. A., Kupaev A. V., Molkov A. A., Ermakov S. A. On Capabilities of Tracking Marine Surface Currents Using Artificial Film Slicks // Remote Sensing. 2019. V. 11. No. 7. Art. No. 840. https://doi.org/10.3390/rs11070840.
- Kudryavtsev V., Hauser D., Caudal G., Chapron B. A semi-empirical model of the normalized radar cross section of the sea surface 1. Background model // J. Geophysical Research: Oceans. 2003. V. 108. No. C3. Art. No. 8054. https://doi.org/10.1029/2001JC001003.
- Martin A. C. H., Gommenginger C., Marquez J., Doody S., Navarro V., Buck C. Wind-wave-induced velocity in ATI SAR ocean surface currents: First experimental evidence from an airborne campaign // J. Geophysical Research: Oceans. 2016. V. 121. No. 3. P. 1640–1653. https://doi.org/10.1002/2015JC011459.
- Martin A. C. H., Gommenginger C. P., Jacob B., Staneva J. First multi-year assessment of Sentinel-1 radial velocity products using HF radar currents in a coastal environment // Remote Sensing of Environment. 2022. V. 268. Art. No. 112758. https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112758.
- Moiseev A., Johnsen H., Johannessen J. A. Retrieving Ocean Surface Currents from the Sentinel-1 Doppler Shift Observations: A Case Study of the Norwegian Coastal Current // Proc. IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS’2020). 2020. P. 5670–5673. DOI: 10.1109/IGARSS39084.2020.9323496.
- Mouche A., Collard F., Chapron B., Dagestad K., Guitton G., Johannessen J. A., Kerbaol V., Hansen M. V. On the Use of Doppler Shift for Sea Surface Wind Retrieval from SAR // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2012. V. 50. No. 7. P. 2901–2909. DOI: 10.1109/TGRS.2011.2174998.
- Nouguier F., Chapron B., Collard F., Mouche A., Rascle N., Ardhuin F., Wu X. Sea Surface Kinematics from Near-Nadir Radar Measurement // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2018. V. 56. No. 10. P. 6169–6179. DOI: 10.1109/TGRS.2018.2833200.
- Phillips O. M. Radar returns from the sea surface — Bragg scattering and breaking waves // J. Physical Oceanography. 1988. V. 18. P. 1065–1074.
- Sergievskaya I., Ermakov S., Ermoshkin A., Kapustin I., Molkov A., Danilicheva O., Shomina O. V. Modulation of Dual-Polarized X-Band Radar Backscatter Due to Long Wind Waves // Remote Sensing. 2019. V. 11. No. 4. Art. No. 423. DOI:10.3390/rs11040423.
- Sergievskaya I., Ermakov S., Ermoshkin A., Kapustin I., Shomina O., Kupaev A. The Role of Micro Breaking of Small-Scale Wind Waves in Radar Backscattering from Sea Surface // Remote Sensing. 2020. V. 12. No. 24. Art. No. 4159. https://doi.org/10.3390/rs12244159.
- Valenzuela G. R. Theories for the interaction of electromagnetic and oceanic waves — A review // Boundary-Layer Meteorology. 1978. V. 13. No. 1–4. P. 61–85. DOI: 10.1007/BF00913863.
- Voronovich A. G., Zavorotny V. U. A Numerical Model of Radar Scattering from Steep and Breaking Waves // Proc. IEEE Intern. Symp. Geoscience and Remote Sensing (IGARSS’06). Denver, 2006. P. 469–472. DOI: 10.1109/IGARSS.2006.125.