Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2026. Т. 23. № 5. С. 350-362
Восстановление излучательной способности и скорости ветра для внутренних водоёмов ограниченного размера на примере Горьковского водохранилища по данным микроволновых радиометров Jason-1, -2, -3
О.С. Ермакова 1 , Н.С. Русаков 1 , Е.И. Поплавский 1 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 06.08.2026
DOI: 10.21046/2070-7401-2026-23-5-350-362
Проведено восстановление величин излучательной способности водной поверхности для внутренних водоёмов ограниченного размера по данным микроволновых радиометров Jason-1, -2, -3 (частоты 18 и 34 ГГц) с использованием данных реанализа ERA5 (англ. ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) Reanalysis 5th generation) (пятого поколения реанализа Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF)) для атмосферной коррекции. Методика основана на решении обратной задачи в рамках одномерной модели переноса излучения и учитывает пространственное разрешение радиометра через свёртку с диаграммой направленности антенны. Особенность подхода заключается в калибровке ветрового поля: проведено сравнение данных ERA5 с измерениями автономной метеостанции, установленной в южной части Горьковского водохранилища, выявлено систематическое занижение скорости ветра в реанализе, на основе чего выполнена коррекция данных ERA5. Установлена эмпирическая параметризация излучательной способности от скорректированной скорости ветра и на её базе, с учётом существующей параметризации для пресных озёр, получена зависимость излучательной способности от доли пенного покрытия. Показано, что для Горьковского водохранилища значения доли пенного покрытия находятся в диапазоне 0,1–1,0 %, что согласуется с теоретическими оценками для пресных озёр. Разработанная методология масштабируема и может быть использована для оценки ветрового режима и интенсивности пенного покрытия на внутренних водоёмах с известным контуром береговой линии, где натурные измерения отсутствуют.
Ключевые слова: микроволновая радиометрия, Jason-1, Jason-2, Jason-3, ERA5, излучательная способность, пенное покрытие, внутренние водоёмы, Горьковское водохранилище, метеостанция, калибровка ветра
Полный текстСписок литературы:
- Заболотских Е. В. Развитие спутниковых пассивных микроволновых методов зондирования системы «океан – атмосфера» и их применение в задачах изучения экстремальных погодных явлений: Автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. СПб., 2016. 36 с.
- Копылов А. И., Стройнов Я. В., Заботкина Е. А. и др. Гетеротрофные микроорганизмы и вирусы в воде Горьковского водохранилища в период аномально высокой температуры воды // Биология внутренних вод. 2013. № 2. С. 16–24. DOI: 10.7868/S0320965213010075.
- Anguelova M. D., Gaiser P. W. Skin depth at microwave frequencies of sea foam layers with vertical profile of void fraction // J. Geophysical Research: Oceans. 2011. V. 116. Article C11016. 18 p. DOI: 10.1029/2011JC007372.
- Anguelova M. D., Gaiser P. W. Microwave emissivity of sea foam layers with vertically inhomogeneous dielectric properties // Remote Sensing of Environment. 2013. V. 139. P. 81–96. DOI: 10.1016/j.rse.2013.07.017.
- Ellison W. J. Permittivity of pure water, at standard atmospheric pressure, over the frequency range 0–25 THz and the temperature range 0–100 C // J. Physical and Chemical Reference Data. 2007. V. 36. No. 1. P. 1–18. DOI: 10.1063/1.2360986.
- Ellison W. J., Balana A., Delbos G. et al. New permittivity measurements of seawater // Radio Science. 1998. V. 33. No. 3. P. 639–648. DOI: 10.1029/97RS02223.
- Hersbach H., Bell B., Berrisford P. et al. The ERA5 global reanalysis // Quarterly J. Royal Meteorological Soc. 2020. V. 146. No. 730. P. 1999–2049. DOI: 10.1002/qj.3803.
- Klein L. A., Swift C. T. An improved model for the dielectric constant of sea water at microwave frequencies // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1977. V. 25. No. 1. P. 104–111. DOI: 10.1109/TAP.1977.1141539.
- Liebe H. J., Hufford G. A., Cotton M. G. Propagation modeling of moist air and suspended water/ice particles at frequencies below 1000 GHz // AGARD Conf. Proc. Atmospheric Propagation Effects Through Natural and Man-Made Obscurants for Visible to MM-Wave Rdiation. Neuilly-sur-Сenе, 1993. V. 542. P. 3.1–3.10.
- Meissner T., Wentz F. J. The complex dielectric constant of pure and sea water from microwave satellite observations // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2004. V. 42. No. 9. P. 1836–1849. DOI: 10.1109/TGRS.2004.831888.
- Meissner T., Wentz F. J. Wind-vector retrievals under rain with passive satellite microwave radiometers // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2009. V. 47. No. 9. P. 3065–3083. DOI: 10.1109/TGRS.2009.2027012.
- 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. No. 8. P. 3004–3026. DOI: 10.1109/TGRS.2011.2179662.
- Melsheimer C., Heygster G., Toudal Pedersen L. Integrated retrieval of surface and atmospheric parameters over the arctic from AMSR-E satellite microwave radiometer data using inverse methods // Proc. IGARSS 2008. IEEE, 2008. P. IV-986–IV-989. DOI: 10.1109/IGARSS.2008.4779890.
- Mitnik L. M., Mitnik M. L. AMSR-E advanced wind speed retrieval algorithm and its application to marine weather systems // Proc. IGARSS 2010. IEEE, 2010. P. 3224–3227. DOI: 10.1109/IGARSS.2010.5649563.
- Monahan E. C., Zietlow C. R. Laboratory comparisons of fresh‐water and salt‐water whitecaps // J. Geophysical Research. 1969. V. 74. No. 28. P. 6961–6966. DOI: 10.1029/JC074i028p06961.
- Njoku E. G., Li L. Retrieval of land surface parameters using passive microwave measurements at 6–18 GHz // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1999. V. 37. No. 1. P. 79–93. DOI: 10.1109/36.739125.
- Rosenkranz P. W. Water vapor microwave continuum absorption: A comparison of measurements and models // Radio Science. 1998. V. 33. No. 4. P. 919–928. DOI: 10.1029/98RS01182.
- 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.
- Smith P. M. The emissivity of sea foam at 19 and 37 GHz // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1988. V. 26. No. 5. P. 541–547. DOI: 10.1109/36.7679.
- Stogryn A. The emissivity of sea foam at microwave frequencies // J. Geophysical Research. 1972. V. 77. No. 9. P. 1658–1666. DOI: 10.1029/JC077i009p01658.
- Tapley B. D., Ries J. C., Davis G. W. et al. Precision orbit determination for TOPEX/POSEIDON // J. Geophysical Research: Oceans. 1994. V. 99. No. C12. P. 24383–24404. DOI: 10.1029/94JC01645.
- Ulaby F. T., Long D. G. Microwave radar and radiometric remote sensing. Ann Arbor: University of Michigan Press, 2014. 1116 p.
- Wentz F. J. A well-calibrated ocean algorithm for Special Sensor Microwave/Imager // J. Geophysical Research: Oceans. 1997. V. 102. No. C4. P. 8703–8718. DOI: 10.1029/96JC01751.
- Young I. R., Verhagen L. A. The growth of fetch limited waves in water of finite depth. Pt. 1. Total energy and peak frequency // Coastal Engineering. 1996. V. 29. No. 1–2. P. 47–78. DOI: 10.1016/S0378-3839(96)00006-3.
- Zabolotskikh E. V., Chapron B. (2019a) New geophysical model function for ocean emissivity at 89 GHz over arctic waters // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2019. V. 16. No. 4. P. 573–577. DOI: 10.1109/LGRS.2018.2876731.
- Zabolotskikh E. V., Chapron B. (2019b) Consideration of atmospheric effects for sea ice concentration retrieval from satellite microwave observations // Russian Meteorology and Hydrology. 2019. V. 44. No. 2. P. 124–129. DOI: 10.3103/S1068373919020055.
- Zabolotskikh E. V., Chapron B. Arctic sea X-band microwave emission modeling based on satellite data: Considering the measurement angle // Russian Meteorology and Hydrology. 2021. V. 46. No. 4. P. 256–262. DOI: 10.3103/S1068373921040063.
- Zabolotskikh E., Chapron B., Bobylev L. New satellite passive microwave retrieval algorithms and their application to study atmospheric phenomena and oceanic parameters // Proc. 2012 2nd Intern. Conf. on Remote Sensing, Environment and Transportation Engineering. 2012. 4 p. DOI: 10.1109/RSETE.2012.6260637.
- 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. No. 13. P. 3347–3350. DOI: 10.1002/grl.50664.
- 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. No. 1. P. 78–81. DOI: 10.1109/LGRS.2015.2497463.