СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПРИВОДНОГО ВЕТРА
REMOTE DETERMINATION OF SURFACE WIND VELOCITY

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно предназначено для определения скорости ветра над морской поверхностью.
В настоящее время общепризнано, что определение скорости ветра средствами дистанционного зондирования является единственной возможностью получения в глобальном масштабе информации о поле ветра над морской поверхностью. В основе радиолокационного определения скорости приводного ветра лежит простая и наглядная схема: ветер изменяет шероховатость морской поверхности - изменение шероховатости приводит к изменению уровня рассеянного назад радиосигнала Предполагается, что сечение обратного рассеяния σ связано со скоростью ветра W функциональной зависимостью
Определение вида этой функциональной зависимости (калибровка установленных на космических аппаратах радиолокаторов как измерителей скорости ветра) осуществляется путём сопоставления данных радиолокационных измерений и прямых измерений скорости ветра, выполняемых с метеорологических буёв или судов. В качестве оценки точности спутниковых измерений обычно используется среднеквадратическая погрешность между значениями скорости ветра, определенными по данным радиолокационных измерений, и значениями скорости, измеренными с буев. Достигнутая точность составляет примерно 1.7 м/с [1]. Она была получена уже в первых алгоритмах, где в качестве единственного предиктора использовалось сечение обратного рассеяния, и для однопараметрических моделей не улучшена до сих пор.
Кроме ветра существует еще ряд физических факторов, влияющих на уровень шероховатости морской поверхности - это поверхностные течения, загрязнения, изменения стратификации приводного слоя атмосферы и так далее. Ограничение предельной точности дистанционного определения скорости приводного ветра обусловлено тем, что одной и той же его скорости ветра могут соответствовать структуры морской поверхности с разными характеристиками [2, 3]. Естественным путём повышения точности определения скорости приводного ветра является увеличение числа определяемых параметров, характеризующих состояние морской поверхности.
Известен однопараметрический способ определения скорости приводного ветра [4] с помощью радиолокационного альтиметра. В этом способе скорость ветра определяется по уровню отраженного назад водной поверхностью радиосигнала. Этот признак является сходным с признаком заявленного изобретения. Однако уровень отраженного сигнала является единственным параметром, на основе которого в приведенном аналоге определяется скорость. Это обусловливает недостаточную точность определения скорости ветра таким методом вследствие влияния на уровень шероховатости отражающей водной поверхности физических факторов, слабо коррелированных со скоростью ветра, таких, как поверхностное течение.
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является дистанционный способ измерения скорости приводного ветра [5], основанный на использовании характеристик радиосигнала, получаемого при зондировании поверхности моря в надир, реализованный с помощью радиолокационных альтиметров. Следующие признаки прототипа совпадают с существенными признаками заявленного изобретения: облучение морской поверхности в надир, регистрация отражённого сигнала, расчёт по крутизне переднего фронта отраженного радиосигнала значимой высоты волны [6], определение скорости ветра по уровню рассеянного назад сигнала с учётом значимой высоты волны.
Недостатком прототипа является ограниченная точность измерений скорости ветра из-за фактора влияния поверхностного течения на поверхностные волны. Короткие ветровые волны являются основными элементами морской поверхности, формирующими отраженный от неё радиосигнал. Эти волны под воздействием течения изменяют свои характеристики, что приводит к изменению характеристик отраженного сигнала. Соответственно одной и той же скорости приводного ветра в присутствии или в отсутствии поверхностного течения будут соответствовать разные уровни отраженного водою излучения, что приводит к погрешности определения скорости ветра.
Физический механизм воздействия течений на спектр короткопериодных поверхностных волн, которые являются основными рассеивателями электромагнитного излучения для средств дистанционного зондирования, изучен достаточно хорошо (например, [7]). Получены аналитические выражения, описывающие изменение энергии отдельных спектральных составляющих в зависимости от скорости и направления течения.
В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного определения скорости ветра над акваторией по уровню отраженных водной поверхностью радиосигналов, которому присуще новое техническое свойство - увеличение числа определяемых параметров, характеризующих состояние водной поверхности. За счет этого обеспечивается технический результат изобретения - возможность учитывать вклад поверхностного течения в уровень отраженных радиосигналов, что повышает точность определения скорости приводного ветра
Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения скорости приводного ветра, согласно которому установленным на космическом аппарате альтиметром облучают водную поверхность, регистрируют отражённый назад сигнал, по фронту радиоимпульса определяют значимую высоту волн и определяют скорость ветра по величине отраженного назад сигнала с учётом значимой высоты волн, новым является то, что по времени прохождения сигнала до поверхности и обратно определяют крупномасштабный рельеф поверхности, по нему рассчитывают поле поверхностного течения и учитывают влияние поля течения на величину отражённого назад сигнала.
Альтиметрические измерения со спутников с помощью радиолокаторов, ставших доступными в последнее десятилетие, существенно расширяют возможности исследования процессов в море. Зная определённый с помощью альтиметра уровень (крупномасштабный рельеф) морской поверхности, рассчитывают поле поверхностного течения. Так, на основе данных альтиметрических измерений со спутников ERS-1 и TOPEX/Poseidon рассчитывался динамический уровень с точностью, которая позволяет изучать динамику поверхностного слоя Черного моря [8]. В настоящее время для Черного моря разработаны модели, в которых усваиваются альтиметрические данные об уровне Черного моря, позволяющие с высокой точностью описывать поле поверхностных течений [9].
Для осуществления заявленного способа предварительно проводится, с помощью метеорологических буёв, калибровка спутниковых альтиметров как измерителей скорости ветра. Процедура сопоставления с данными прямых in situ измерений различных параметров является наиболее распространенной процедурой калибровки средств дистанционного зондирования [1, 5, 10]. В данном случае в результате калибровки строятся регрессионные уравнения, в которых скорость ветра является функцией трёх параметров: уровня отражённого назад радиосигнала, крутизны фронта и скорости течения. Это позволяет дополнительно учитывать зависимость отраженного от морской поверхности радиосигнала от скорости поверхностного течения, которая в прототипе не учитывалась.
Способ реализуется следующим образом. Спутник с установленным на нём альтиметром пролетает над морем. Альтиметром облучается морская поверхность и регистрируется отражённый назад радиосигнал. По форме фронта регистрируемого радиоимпульса определяют значимую высоту поверхностных волн. Измеряя время прохождения радиоимпульса от космического аппарата до морской поверхности и обратно, определяют рельеф поверхности на масштабах, больших, чем длина доминантных поверхностных волн. Зная рельеф поверхности, рассчитывают поле поверхностного течения. Далее по величине отраженного назад сигнала с помощью предварительно построенных калибровочных кривых определяют скорость ветра, учитывая при этом высоту значимых волн и скорость поверхностного течения.
Использованные источники:
1. Караев В.Ю., Каневский МБ., Баландина Г.Н., Коттон Д. Трехпараметрический алгоритм определения скорости приповерхностного ветра по данным радиоальтиметрических измерений // Исследование Земли из космоса. -1999. -Ко 6. -С. 33-41.
2. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е. О предельной точности скаттерометрического определения со спутника скорости ветра над океаном // Исследование Земли из космоса.- 1987.- № 2.- С. 57-65.
3. Запевалов А.С., Пустовойтенко В.В. О точности скаттерометрического определения скорости приводного ветра // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа, Севастополь, МГИ НАНУ. - 2004. - Вып. 11. - С. 262-267.
4. Brown G.S., Stanley H.R., Roy N.A. The wind speed measurements capability of spaceborne radar altimetry // ШЕЕ J. Oceanic Eng. - 1981. - OE-6. - P. 59-.63.
5. Glazman R.E., Greysukh A. Satellite altimeter measurements of surface wind // J. Geophys. Res.- 1993.- Vol. 98, № C2.- P. 2475-2483 - прототип.
6. Hayne G. Radar altimeter mean return waveforms from near-normalincidence ocean surface scattering // ШЕЕ Trans. Antennas and Propagation. - 1980. - Vol. 28, №5.-P. 687-692.
7. Филлипс O.M. Динамика верхнего слоя океана: Пер. с англ. - Л.: Гидро-метеойздат, 1980. - 319 с.
8. Korotaev G.K., Saenko О.А., Koblinsky C.J. Satellite altimetry observations of the Black Sea level//! Geoph. Res.-200l.-106. №C1. - P. 917-933.
9. Дорофеев В.Л., Коротаев Г.К. Ассимиляция данных агутниковой альтиметрии в вихреразрешающей модели циркуляции Черного моря // Морской гидрофизический журн.- 2004.- № 1.- С. 52-68
10. Dobson Ε., Monaldo F., Goldhirsh J., Wilkerson J. Validation of Geosat altimeter-derived wind speeds and significant wave heights using buoy data // Johns Hopkins APL Tech. Dig. - 1987. - 8. - P. 222-233