Влияние обрушений ветровых волн на обратное рассеяние миллиметровых радиоволн морской поверхностью

Ю.Ю. Юровский1,✉, И.А. Сергиевская2, С.А. Ермаков2,3,4, Б. Шапрон5, И.А. Капустин2,3,4, О.В. Шомина2

1 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

2 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия

3 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Россия

4 Волжский государственный университет водного транспорта, Нижний Новгород, Россия

5 Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург, Россия

✉ e-mail: yyyurovsky@gmail.com

Аннотация

Представлены результаты натурных исследований обратного радиолокационного рассеяния на морской поверхности на длине радиоволны 8 мм. Радиолокационные наблюдения сопровождались синхронной видеорегистрацией облучаемой поверхности с целью определения параметров обрушений ветровых волн, влияющих на интенсивность обратного рассеяния, а также для измерения скорости поверхностного течения, вызывающего доплеровский сдвиг частоты сигнала. Показано, что вклад обрушений в удельную эффективную площадь рассеяния зависит от скорости ветра и поляризации излучения и не превышает 20 – 30%. Средние значения мгновенного доплеровского сдвига, не связанного с поверхностным течением, в 1,5 – 2 раза выше ожидаемого доплеровского сдвига от свободных брегговских волн. Анализ видеоданных показал, что полученное несоответствие не может быть объяснено влиянием только видимых обрушений. Возможными причинами наблюдаемого эффекта могут быть пространственная модуляция внутри пятна облучения, влияние связанных паразитных капиллярных волн, микрообрушения, не вызывающие видимых проявлений на морской поверхности.

Ключевые слова

обратное рассеяние, миллиметровые волны, доплеровский сдвиг, поверхностное течение, обрушения ветровых волн, паразитные волны

Для цитирования

Влияние обрушений ветровых волн на обратное рассеяние миллиметровых радиоволн морской поверхностью / Ю. Ю. Юровский [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2015. № 4. С. 37-50. EDN VDUWHB. doi:10.22449/0233-7584-2015-4-37-50

Yurovsky, Yu.Yu., Sergievskaya, I.A., Ermakov, S.A., Chapron, B., Kapustin, I.A. and Shomina, O.V., 2015. Influence of wind wave breakings on a millimeter-wave radar backscattering by the sea surface. Physical Oceanography, (4), pp. 34-45. doi:10.22449/1573-160X-2015-4-34-45

DOI

10.22449/0233-7584-2015-4-37-50

Список литературы

  1. Valenzuela G.R. Theories for the interaction of electromagnetic and ocean waves – a review // Bound. Layer Meteorol. – 1978. – 13. – P. 61 – 85.
  2. Bass F.G., Fuks I.M., Kalmykov A.I. et al. Very high frequency radio wave scattering by a disturbed sea surface. Part I: Scattering from a slightly disturbed boundary. Part II: Scattering from an actual sea surface // IEEE Trans. Antenn. Propagat. – 1968. – 16, № 5. – P. 554 – 568.
  3. Plant W.J. A two-scale model of short wind-generated waves and scatterometry // J. Geophys. Res. (Oceans). – 1986. – 91, issue C9. – P. 10735 – 10749.
  4. Donelan M.A., Pierson W. Radar scattering and equilibrium ranges in wind-generated waves with application to scatterometry // Ibid. – 1987. – 92, issue C5. – P. 4971 – 5029.
  5. Kalmykov A.I., Pustovoytenko V.V. On polarization features of radio signals scattered from the sea surface at small grazing angles // J. Geophys. Res. (Oceans and Atmospheres). – 1976. – 81. – P. 1960 – 1964.
  6. Phillips O.M. Radar returns from the sea surface – Bragg scattering and breaking waves // J. Phys. Oceanogr. – 1988. – 18. – P. 1063 – 1074.
  7. Kudryavtsev V., Hauser D., Caudal G. et al. A semiempirical model of the normalized radar cross-section of the sea surface. 1. Background model // J. Geophys. Res. (Oceans). – 2003. – 108, issue C3. – P. FET2-1 – FET2-24.
  8. Masuko H., Okamoto K., Shimada M. et al. Measurement of microwave backscattering signatures of the ocean surface using X band and Ka band airborne scatterometers // Ibid. – 1986. – 91, issue C11. – P. 13065 – 13084.
  9. Nekrasov A., Hoogeboom P. A Ka-Band Backscatter Model Function and an Algorithm for Measurement of the Wind Vector Over the Sea Surface // IEEE Geosci. Rem. Sens. Lett. – 2005. – 2, issue 1. – P. 23 – 27.
  10. Tanelli S., Durden S.L., Im E. Simultaneous Measurements of Ku- and Ka-Band Sea Surface Cross Sections by an Airborne Radar // Ibid. – 2006. – 3, issue 3. – P. 359 – 363.
  11. Ermakov S.A., Kapustin I.A., Sergievskaya I.A. Tank study of radar backscattering from strongly nonlinear water waves // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. – 2010. – 74, № 12. – P. 1695 – 1698.
  12. Hasselmann K., Raney R.K., Plant W.J. et al. Theory of synthetic aperture radar ocean imaging: A MARSEN view // J. Geophys. Res. (Oceans). – 1985. – 90, issue C3. – P. 4659 – 4686.
  13. Plant W.J. The Modulation Transfer Function: Concept and Applications // Radar Scattering from Modulated Wind Waves / Edd. G.J. Komen, W.A. Oost. – Netherlands, Springer, 1989. – P. 155 – 172.
  14. Kudryavtsev V., Hauser D., Caudal G. et al. A semiempirical model of the normalized radar cross section of the sea surface. 2. Radar modulation transfer function // J. Geophys. Res. (Oceans). – 2003. – 108, issue C3. – P. FET3-1 – FET3-16.
  15. Monahan E.C., Woolf D.K. Comments on “Variations of Whitecap Coverage with Wind stress and Water Temperature” // J. Phys. Oceanogr. – 1989. – 19. – P. 706 – 709.
  16. Миронов А.С., Дулов В.А. Статистические характеристики событий и диссипация энергии волн при обрушении // Экологическая безопасность природных и шельфовых зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2008. – Вып. 16. – С. 97 – 115.
  17. Dulov V.A., Kudryavtsev V.N., Bolshakov A.N. A Field Study of White Caps Coverage and its Modulations by Energy Containing Waves // Gas Transfer at Water Surface, Geophysical Monograph Series / Edd. M.A. Donelan, W.M. Drennan, E.S. Saltzman et al. – AGU, 2002. – 127. – P. 187 – 192.
  18. Babanin A.V. Breaking of ocean surface waves // Acta Phys. Slov. – 2009. – 59, № 4. – P. 305 – 535.
  19. Ermakov S.A., Sergievskaya I.A., Schegolkov Y.B. Laboratory study of strong modulation of radar signals due to long waves on the water surface covered with a surfactant film // Radiophys. Quant. Electron. – 2002. – 45, № 12. – P. 942 – 957.

Скачать статью в PDF-формате