Определение скорости течения на морской поверхности доплеровским радиолокатором X-диапазона

В работе предложена методика определения скорости и направления поверхностного течения по измерениям скоростных радиолокационных панорам доплеровским радиолокатором X-диапазона. На основе результатов численного моделирования доплеровской скорости брэгговских волн в поле ветрового волнения и течения выбран диапазон дальностей для измерения скорости поверхностного течения, при котором можно не учитывать эффект затенения участков морской поверхности гребнями волн. Проведены продолжительные натурные эксперименты, в ходе которых предлагаемая методика была проверена. Скорость и направление поверхностного течения вычислялись как векторная сумма скорости течения водной толщи и 3% скорости ветра, при этом одновременно измерялись скоростные радиолокационные панорамы морской поверхности. Показано, что при зондировании навстречу ветру/волнению средние скорости рассеивающих СВЧ радиоволны элементов морской поверхности существенно выше предсказаний двухмасштабной модели рассеивания, учет которых для восстановления скорости поверхностного течения, был проведен эмпирически. При зондировании по ветру/волнению наблюдалось хорошее согласие с результатами моделирования. Корреляционный анализ поверхностного течения, вычисленного через гидрометеорологические параметры и по скоростным радиолокационным панорамам, продемонстрировал максимальный коэффициент корреляции для величины скорости 0.88 со среднеквадратичной ошибкой 8 см/с, а для направления 0.98 — со среднеквадратичной ошибкой 14°. Отмечается, что пленочные слики на морской поверхности приводят к существенному уменьшению усредненной доплеровской скорости, что может выступать дополнительным критерием при дистанционном обнаружении разливов нефти и нефтепродуктов.

1. Стехновский Д. И., Зубков А.Е. Навигационная гидрометеорология. М.: Транспорт, 1977. 264 c.

2. Будянский М. В. и др. Лагранжев анализ Курильских вихрей // Вестник ДВО РАН. 2017. № 4. С. 81–88.

3. Зацепин А. Г. и др. Сравнение характеристик течений, измеренных КВ и СВЧ радиолокаторами на гидрофизическом полигоне ИО РАН в Черном море, с данными ADCP и дрифтеров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14, № 7. С. 250–266.

4. Булатов М. Г. и др. Физические механизмы формирования аэрокосмических радиолокационных изображений океана // УФН. 2003. 173 (1). С. 69–87.

5. Переслегин С. В. и др. Формирование скоростных радиолокационных изображений морской поверхности со стационарных, авиационных и космических носителей // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2019. Т. 12, № 1. С. 21–29.

6. Braun N., Ziemer F., Bezuglov A., Cysewski M., Schymura G. Sea-surface current features observed by Doppler radar // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2008. V. 46, Iss. 4. P. 1125–1133. doi: 10.1109/TGRS.2007.910221

7. Nyman L., Lund B., Romeiser R., Graber H., Horstmann J. A New Approach to Detect Surface Currents of Complex Flows Using Doppler Marine Radar // IGARSS2018–2018 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Valencia, 2018. P. 1493–1496. doi: 10.1109/IGARSS.2018.8519168

8. Moiseev A. et al. Evaluation of radial ocean surface currents derived from Sentinel-1 IW Doppler shift using coastal radar and Lagrangian surface drifter observations // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. 125. e2019JC015743. doi: https://doi.org/10.1029/2019JC015743

9. Mouche A.A. et al. On the use of Doppler shift for sea surface wind retrieval from SAR // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2012. 50(7). P. 2901–2909. doi: https://doi.org/10.1109/TGRS.2011.2174998

10. Lund B. et al. Marine X-band radar currents and bathymetry: An argument for a wave number-dependent retrieval method // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. 125. e2019JC015618. doi: https://doi.org/10.1029/2019JC015618

11. Ivonin D.V. et al. Monitoring system of surface currents on the base of low-cost X-band radar. First application on the Black Sea // Russian Journal of Earth Sciences. 2011. V. 13. ESES1001000. doi: 10.2205/2009ES000245

12. Dankert H. Retrieval of surface-current fields and bathymetries using radar-image sequences // Proc. IGARSS. Toulouse, France, 2003. doi: 10.2205/2009ES000245

13. Ermoshkin A.V., Kapustin I.A. Estimation of the wind-driven wave spectrum using a high spatial resolution coherent radar // Russian Journal of Earth Sciences. 2019. V. 19, N 3. P. ES1005 1–9.

14. Ermoshkin A.V. et al. On the features of Doppler velocities estimation with coherent radar of high spatial resolution // Proc. SPIE. 2019. 111501I.

15. Valenzuela G.R. Theories for the interaction of electromagnetic and oceanic waves — a review // Boundary-Layer Meteorology. 1978. V. 13. P. 61–85.

16. Johnson J.T., Chuang C.W. Quantitative Evaluation of Ocean Surface Spectral Model Influence on Sea Surface Backscattering // Technical Report 738927–1. Office of Naval Research, 2000. 47 p.

17. Salcedo-Sanz S. et al. Significant Wave Height Estimation using SVR Algorithms and Shadowing Information from Simulated and Real measured X-band radar images of the sea surface // Ocean Engineering. 2015. V. 101. P. 244–253. doi: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2015.04.041

18. Hwang P.A., Sletten M.A., Toporkov J.V. Breaking wave contribution to low grazing angle radar backscatter from the ocean surface // Journal of Geophysical Research. 2008. V. 113, C09017. doi:10.1029/2008JC004752

19. Wu J. Sea-surface drift currents induced by wind and waves // Journal of Geophysical Research. 1983. 13(8). P. 1441–1451.

20. Капустин И.А. и др. Об оценке вклада приводного ветра в кинематику сликов на морской поверхности в условиях ограниченных разгонов волнения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16, № 2. С. 163–172.

21. Ermoshkin A.V. et al. Statistical characteristics of Doppler velocity shift in artificial slick on sea surface // Proc. SPIE11150, 2019, 111501L.