Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2026. Т. 23. № 1. С. 76-86
Полуэмпирическая модель рассеяния СВЧ-радиоволн на водной поверхности при ураганных условиях
Г.А. Байдаков 1 , Н.С. Русаков 1 , Ю.И. Троицкая 1 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 08.12.2025
DOI: 10.21046/2070-7401-2026-23-1-76-86
Представлены результаты лабораторных экспериментов, в ходе которых в условиях регулярных обрушений волн в заданной точке проводились измерения удельной эффективной пощади рассеяния (УЭПР) поверхности воды в ортогональном по приёму – излучению режиме в X-диапазоне с длиной волны 3,2 см. В качестве характеристики ветро-волнового режима были выбраны динамическая скорость ветра, спектр поверхностных волн и доля поверхности воды, покрытая обрушениями гребней длинных волн. Было установлено, что в отсутствие ветровой ряби мощность рассеянного сигнала пропорциональна относительному количеству обрушений. Для определения рассеяния открытыми участками поверхности воды была проведена оценка УЭПР ветровой ряби в рамках численной модели SSA-2 (англ. Small-Slope Approximation). Предложена композитная геофизическая модельная функция (ГМФ), связывающая УЭПР на ортогональной поляризации и динамическую скорость ветра, определяемая некогерентным сложением сигналов, рассеянных областями обрушения и частью поверхности воды, свободной от обрушений. Показано, что представленная зависимость демонстрирует заметную чувствительность к скорости приводного ветра именно за счёт компоненты, определяемой обрушениями. В качестве проверки предложенной ГМФ было проведено сопоставление предсказываемых ею значений с результатами обработки спутниковых данных, полученных в ураганных условиях, стандартными алгоритмами. Хорошее соответствие демонстрирует возможность применения рассматриваемой ГМФ для разработки алгоритма восстановления скорости ветра по данным рассеяния микроволнового излучения на ортогональной поляризации.
Ключевые слова: рассеяние радиоволн, СВЧ, УЭПР, обрушение волны, ортогональная поляризация, лабораторное моделирование, дистанционное зондирование, геофизическая модельная функция
Полный текстСписок литературы:
- Абрамов В. И., Байдаков Г. А., Зуйкова Э. М., Титченко Ю. А., Троицкая Ю. И. Способ одновременных полнополяризационных доплеровских измерений в СВЧ-диапазоне. Патент РФ 2771834. Рег. 12.05.2022.
- Воронович А. Г. Приближение малых наклонов в теории рассеяния волн на неровных поверхностях // ЖЭТФ. 1985. Т. 89. № 1(7). С. 116–125.
- Троицкая Ю. И., Абрамов В. И., Ермошкин А. В. и др. Лабораторное моделирование рассеяния СВЧ радиоволн поверхностью моря в условиях сильных и ураганных ветров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 4. С. 45–59. DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-4-45-59.
- Anguelova M. D., Webster F. Whitecap coverage from satellite measurements: A first step toward modeling the variability of oceanic whitecaps // J. Geophysical Research: Oceans. 2006. V. 111. No. C3. Article C03017. DOI: 10.1029/2005JC003158.
- Brumer S. E., Zappa C. J., Brooks I. M. et al. Whitecap coverage dependence on wind and wave statistics as observed during SO GasEx and HiWinGS // J. Physical Oceanography. 2017. V. 47. No. 9. P. 2211–2235. DOI: 10.1175/JPO-D-17-0005.1.
- Donelan M. A., Haus B. K., Reul N. et al. On the limiting aerodynamic roughness of the ocean in very strong winds // Geophysical Research Letters. 2004. V. 31. No. 18. Article L18306. DOI: 10.1029/2004GL019460.
- Donnelly W. J., Carswell J. R., McIntosh R. E. et al. Revised ocean backscatter models at C and Ku band under high-wind conditions // J. Geophysical Research: Oceans. 1999. V. 104. No. C5. P. 11485–11497. DOI: 10.1029/1998JC900030.
- Ermakova O., Rusakov N., Poplavsky E. et al. Friction velocity and aerodynamic drag coefficient retrieval from Sentinel-1 IW cross-polarization C-SAR images under hurricane conditions // Remote Sensing. 2023. V. 15. No. 8. Article 1985. DOI: 10.3390/rs15081985.
- Fois F., Hoogeboom P., Le Chevalier F., Stoffelen A. (2015a) 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.
- Fois F., Hoogeboom P., Le Chevalier F., Stoffelen A. (2015b) Future ocean scatterometry: On the use of cross-polar scattering to observe very high winds // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 2015. V. 53. No. 9. P. 5009–5020. DOI: 10.1109/TGRS.2015.2416203.
- Foreman R. J., Emeis S. Revisiting the definition of the drag coefficient in the marine atmospheric boundary layer // J. Physical Oceanography. 2010. V. 40. No. 10. P. 2325–2332. DOI: 10.1175/2010JPO4420.1.
- Guérin C.-A., Johnson J. T. A simplified formulation for rough surface cross-polarized backscattering under the second-order small-slope approximation // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 2015. V. 53. No. 11. P. 6308–6314. DOI: 10.1109/TGRS.2015.2440443.
- Holthuijsen L. H., Powell M. D., Pietrzak J. D. Wind and waves in extreme hurricanes // J. Geophysical Research: Oceans. 2012. V. 117. No. C9. Article C09003. DOI: 10.1029/2012JC007983.
- Hwang P. A., Zhang B., Perrie W. Depolarized radar return for breaking wave measurement and hurricane wind retrieval // Geophysical Research Letters. 2010. V. 37. No. 1. Article L01604. DOI: 10.1029/2009GL041780.
- Hwang P. A., Stoffelen A., van Zadelhoff G.-J. et al. Cross-polarization geophysical model function for C-band radar backscattering from the ocean surface and wind speed retrieval // J. Geophysical Research: Oceans. 2015. V. 120. No. 2. P. 893–909. DOI: 10.1029/2014JC010439.
- Kuznetsova A., Baydakov G., Dosaev A., Troitskaya Yu. Drag coefficient parameterization under hurricane wind conditions // Water. 2023. V. 15. No. 10. Article 1830. DOI: 10.3390/w15101830.
- Liu W. T., Tang W. Relating wind and stress under tropical cyclones with scatterometer // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2016. V. 33. No. 6. P. 1151–1158. DOI: 10.1175/JTECH-D-16-0047.1.
- Liu W. T., Xie X. Sea surface wind/stress vector // Encyclopedia of Remote Sensing. N. Y.: Springer, 2014. P. 759–767. DOI: 10.1007/978-0-387-36699-9_168.
- Plant W. J. A relationship between wind stress and wave slope // J. Geophysical Research: Oceans. 1982. V. 87. No. C3. P. 1961–1967. DOI: 10.1029/JC087iC03p01961.
- Powell M. D., Vickery P. J., Reinhold T. A. Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones // Nature. 2003. V. 422. P. 279–283. DOI :10.1038/nature01481.
- Salisbury D. J., Anguelova M. D., Brooks I. M. On the variability of whitecap fraction using satellite-based observations // J. Geophysical Research: Oceans. 2013. V. 118. No. 11. P. 6201–6222. DOI: 10.1002/2013JC008797.
- Scanlon B., Ward B. The influence of environmental parameters on active and maturing oceanic whitecaps // J. Geophysical Research: Oceans. 2016. V. 121. No. 5. P. 3325–3336. DOI: 10.1002/2015JC011230.
- Troitskaya Yu., Abramov V., Baidakov G. et al. Cross-polarization GMF for high wind speed and surface stress retrieval // J. Geophysical Research: Oceans. 2018. V. 123. No. 8. P. 5842–5855. DOI: 10.1029/2018JC014090.
- Vachon P. W., Wolfe J. C-band cross-polarization wind speed retrieval // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2011. V. 8. No. 3. P. 456–459. DOI: 10.1109/LGRS.2010.2085417.
- van Zadelhoff G.-J., Stoffelen A., Vachon P. W. et al. Scatterometer hurricane wind speed retrievals using cross polarization // Atmospheric Measurement Techniques Discussions. 2013. V. 6. P. 7945–7984. DOI: 10.5194/amtd-6-7945-2013.
- 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. 2001. V. 11. No. 3. P. 247–269. DOI: 10.1080/13616670109409784.
- Voronovich A. G., Zavorotny V. U. Full-polarization modeling of monostatic and bistatic radar scattering from a rough sea surface // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2014. V. 62. No. 3. P. 1362–1371. DOI: 10.1109/TAP.2013.2295235.
- Zhang B., Perrie W. Cross-polarized synthetic aperture radar: A new potential measurement technique for hurricanes // Bull. American Meteorological Soc. 2012. V. 93. No. 4. P. 531–541. DOI: 10.1175/BAMS-D-11-00001.1.
- Zhang B., Perrie W., Zhang J. A. et al. High-resolution hurricane vector winds from C-band dual-polarization SAR observations // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2014. V. 31. No. 2. P. 272–286. DOI: 10.1175/JTECH-D-13-00006.1.