Восстановление скоростей поверхностных течений и их сдвигов по данным судовых радиолокаторов X- и Ka-диапазонов

А. Е. Кориненко✉, В. В. Малиновский

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: korinenko.alex@yandex.ru

Аннотация

Цель. Развитие методики восстановления вектора скорости поверхностного течения и определение его вертикального сдвига по радиолокационным изображениям морской поверхности, полученным при малых углах скольжения в широком диапазоне метеорологических условий, – цель настоящего исследования.

Методы и результаты. Представленные результаты получены в ходе комплексных натурных исследований на Черноморском гидрофизическом подспутниковом полигоне Морского гидрофизического института. В экспериментах использовались когерентные радиолокационные станции MRS-1011 (Х-диапазон) и MRS-3000 (Ka-диапазон), которые размещались на стационарной океанографической платформе и работали в режиме кругового обзора на горизонтальной поляризации передачи/приема сигнала. Наблюдение морской поверхности осуществлялось при скользящих углах зондирования. Одновременно с радиолокационной съемкой проводился комплекс измерений на океанографической платформе, который включал регистрацию модуля скорости и направления течений на различных горизонтах, возвышений морской поверхности, измерение метеорологических параметров. Для восстановления вектора скорости поверхностного течения применялся метод кросс-спектрального анализа временных серий радиолокационных изображений. Этот подход позволяет построить дисперсионную кривую, а по ее деформации оценить скорость поверхностного течения. Коррекция алиасинга во второй зоне Найквиста расширила спектральный диапазон исследуемого волнения, что особенно важно для районов со слабыми течениями и при оценках вертикальных сдвигов скоростей течений.

Выводы. Подтверждена возможность использования навигационных радаров для определения вектора скорости течения в прибрежной зоне радиусом в несколько километров. Рассчитанные по радиолокационным данным амплитуды скоростей поверхностных течений в целом согласуются с величинами течений, измеренными акустическим доплеровским профилографом. Выполнены оценки вертикальных сдвигов течений в верхнем слое моря. Показано, что безразмерный сдвиг течения при умеренных и слабых ветрах является постоянной величиной, а с ростом скорости ветра уменьшается. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с данными контактных измерений и опубликованными результатами других исследований.

Ключевые слова

дистанционное зондирование, радиолокационные изображения, морская поверхность, дисперсионное соотношение, скорость поверхностных течений, вертикальный сдвиг скорости течения, натурные измерения, алиасинг

Благодарности

Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда № 24-27-20105, https://rscf.ru/project/24-27-20105, и соглашения с Департаментом образования и науки г. Севастополя № 85 от 19.06.2024 г. Авторы благодарны В. Н. Кудрявцеву, которому принадлежит идея определения вертикального сдвига скорости течения по радиолокационным данным и алгоритм для ее реализации.

Информация об авторах

Кориненко Александр Евгеньевич, старший научный сотрудник, отдел дистанционных методов исследований, ФГБУН ФИЦ МГИ (299011, Россия, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2), кандидат физико-математических наук, ORCID ID: 0000-0001-7452-8703, Scopus Author ID: 23492523000, SPIN-код: 7288-8023, korinenko.alex@yandex.ru

Малиновский Владимир Васильевич, старший научный сотрудник, отдел дистанционных методов исследований, лаборатория прикладной физики моря, ФГБУН ФИЦ МГИ (299011, Россия, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2), кандидат физико-математических наук, ORCID ID: 0000-0002-5799-454X, Scopus Author ID: 23012976200, ResearcherID: F-8709-2014, SPIN-код: 9206-3020, vladimir.malinovsky@mhi-ras.ru

Для цитирования

Кориненко А. Е., Малиновский В. В. Восстановление скоростей поверхностных течений и их сдвигов по данным судовых радиолокаторов X- и Ka-диапазонов // Морской гидрофизический журнал. 2026. Т. 42, № 1. С. 37–52. EDN FPIQLO.

Korinenko, A.E. and Malinovsky, V.V. 2026. Retrieval of Surface Current Velocities and their Shears Using the Shipborne X- and Ka-Band Radar Data. Physical Oceanography, 33(1), pp. 33-47.

Список литературы

  1. Сравнение характеристик течений, измеренных КВ и СВЧ радиолокаторами на гидрофизическом полигоне ИО РАН в Черном море, с данными ADCP и дрифтеров / А. Г. Зацепин [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. T. 14, № 7. C. 250–266. EDN YNJOPU. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2017-14-7-250-266
  2. HF radar wave and wind measurement over the Eastern China Sea / W. Huang [et al.] // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2002. Vol. 40, iss. 9. P. 1950–1955. https://doi.org/10.1109/TGRS.2002.803718
  3. Operational wave, current, and wind measurements with the Pisces HF radar / L. R. Wyatt [et al.] // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2006. Vol. 31, iss. 4. P. 819–834. https://doi.org/10.1109/JOE.2006.888378
  4. Nieto Borge J. C., Guedes C. Analysis of Directional Wave Fields Using X-Band Navigation Radar // Coastal Engineering. 2000. Vol. 40, iss. 4. P. 375–391. https://doi.org/10.1016/S0378-3839(00)00019-3
  5. Wind, wave, and current retrieval utilizing X-band marine radars / J. Horstmann [et al.] // Coastal Ocean Observing Systems / Ed. Y. Liu, H. Kerkering, R. H. Weisberg. London : Academic Press, 2015. P. 281–304. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802022-7.00016-X
  6. Young I. R., Rosenthal W., Ziemer F. A three-dimensional analysis of marine radar images for the determination of ocean wave directionality and surface currents // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1985. Vol. 90, iss. C1. P. 1049–1059. https://doi.org/10.1029/JC090iC01p01049
  7. Determination of bathymetric and current maps by the method DiSC based on the analysis of nautical X-band radar image sequences of the sea surface (November 2007) / C. M. Senet [et al.] // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2007. Vol. 46, iss. 8. P. 2267–2279. https://doi.org/10.1109/TGRS.2008.916474
  8. Sample application of a low-cost X-band monitoring system of surface currents at the Black Sea shore / D. V Ivonin [et al.] // Russian Journal of Earth Sciences. 2011. Vol. 12, iss. 2. ES2003. EDN SCXEKR. https://doi.org/10.2205/2011ES000507
  9. A new technique for the retrieval of near-surface vertical current shear from marine X-band radar images / B. Lund [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2015. Vol. 120, iss. 12. P. 8466–8486. https://doi.org/10.1002/2015JC010961
  10. Hessner K. G., Nieto-Borge J. C., Bell P. S. Nautical radar measurements in Europe: Applications of WaMoS II as a sensor for sea state, current and bathymetry // Remote Sensing of the European Seas / Ed. V. Barale, M. Gade. Dordrecht, the Netherlands : Springer, 2008. P. 435–446. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6772-3_33
  11. Предварительные результаты сравнения измерений вектора скорости течения навигационным радаром X-диапазона и донной станцией ADCP / Д. В. Ивонин [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13, № 2. С. 53–66. EDN VVYAQH. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2016-13-2-53-66
  12. Определение вектора скорости течения по измерениям навигационного радара с широкой диаграммой направленности антенны / Д. В. Ивонин [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8, № 4. С. 219–227. EDN OIJMDX.
  13. Определение скорости течения на морской поверхности доплеровским радиолокатором X-диапазона / А. В. Ермошкин [и др.] // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13, № 3. С. 93–103. EDN PSBVIF. https://doi.org/10.7868/S2073667320030089
  14. Sun glitter imagery of surface waves. Part 1: Directional spectrum retrieval and validation / V. N. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 122, iss. 2. P. 1369–1383. EDN YVFZEZ. https://doi.org/10.1002/2016JC012426
  15. Sun glitter imagery of surface waves. Part 2: Waves transformation on ocean currents / V. N. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 122, iss. 2. P. 1384–1399. EDN YVHRGJ. https://doi.org/10.1002/2016JC012426
  16. Estimation of Sea Surface Current from X-Band Marine Radar Images by Cross-Spectrum Analysis / Z. Chen [et al.] // Remote Sensing. 2019. Vol. 11, iss. 9. 1031. EDN EVROGH. https://doi.org/10.3390/rs11091031
  17. A new technique for the retrieval of near-surface vertical current shear from marine X-band radar images / B. Lund [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2015. Vol. 120, iss. 12. P. 8466–8486. https://doi.org/10.1002/2015JC010961
  18. Кориненко А. Е., Малиновский В. В. Восстановление полей ветра в прибрежной зоне по радиолокационным данным X-диапазона при больших углах наблюдения морской поверхности // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2025. № 1. С. 26–41. EDN JRCXNU.
  19. Plant W. J. The modulation transfer function: concept and applications // Radar Scattering from Modulated Wind Waves / Eds. G. J. Komen, W. A. Oost. Dordrecht, the Netherlands : Springer, 1989. P. 155–172. https://doi.org/10.1007/978-94-009-2309-6_13
  20. A semiempirical model of the normalized radar cross section of the sea surface, 2. Radar modulation transfer function / V. N. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C1. 8055. https://doi.org/ 10.1029/2001JC001004
  21. Stewart R. H., Joy J. W. HF radio measurements of surface currents // Deep Sea Research. 1974. Vol. 21, iss. 12. P. 1039–1049. https://doi.org/10.1016/0011-7471(74)90066-7
  22. Seemann J., Ziemer F. Computer simulation of imaging ocean wave fields with a marine radar // Oceans '97. MTS/IEEE Conference Proceedings “Challenges of our Changing Global Environment”. Vol. 2. San Diego, CA, USA. 1995. 1128–1133. https://doi.org/10.1109/OCEANS.1995.528583
  23. Seemann J., Ziemer F., Senet C. M. A method for computing calibrated ocean wave spectra from measurements with a nautical X-band radar // Oceans '97. MTS/IEEE Conference Proceedings “500 Years of Ocean Exploration”. Vol. 2. Halifax, NS, Canada. 1997. P. 1148–1154. https://doi.org/10.1109/OCEANS.1997.624154
  24. Senet C. M., Seemann J., Ziemer F. An iterative technique to determine the near surface current velocity from time series of sea surface images // Oceans '97. MTS/IEEE Conference Proceedings “500 Years of Ocean Exploration”. Vol. 1. Halifax, NS, Canada. 1997. P. 66–72. https://doi.org/10.1109/OCEANS.1997.634337
  25. Marine radar ocean wave retrieval’s dependency on range and azimuth / B. Lund [et al.] // Ocean Dynamics. 2014. Vol. 64, iss. 7. P. 999–1018. EDN CQFKAC. https://doi.org/10.1007/s10236-014-0725-6
  26. On the vertical structure of wind-driven sea currents / V. N. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38, iss. 10. P. 2121–2144. EDN LLKHMX. https://doi.org/10.1175/2008JPO3883.1

Файлы

Полный текст

JATS XML

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.