Материалы 17-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 2019 год

(http://conf.rse.geosmis.ru)

Экспериментальные исследования морского волнения и загрязнений дистанционными оптическими и контактными методами

Титов В.И. (1), Баханов В.В. (1), Зуйкова Э.М. (1), Кориненко А.Е (2), Садовский И.Н. (3)
(1) Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
(2) Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия
(3) Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
Разработан комплекс оптических устройств дистанционной диагностики приповерхностного слоя океана. Комплекс состоит из набора линеек ПЗС фотоприемников для регистрации пространственно – временных изображений (ПВИ) поверхности океана по оптическим сечениям морской поверхности [1] и некогерентного двумерного оптического спектранализатора ДОСА [2] для регистрации спектров короткомасштабных волн длиной от нескольких сантиметров до метра путем спектрального анализа изображения поверхности моря в реальном времени. Два ПВИ изображения с разным направлением наблюдения позволяют получить полную информацию о кинематических характеристиках аномалий на поверхности моря (сликах, проявлений внутренних волн и ветровых потоков) благодаря возможности “разделять” аномалии по их скоростям. В экспериментах синхронно с оптическими измерениями проводился сбор метеорологической информации многофункциональным комплексом Davis 6152EU и регистрация характеристик поверхностного волнения с помощью струнных волнографов.
В комплект метеостанции входят измеритель скорости и направления ветра, датчики атмосферного давления, температуры воздуха и воды (на глубине 3 м), и влажности. Измерения метеопараметров осредняются за 1 мин.
Характеристики поверхностного волнения регистрировались с помощью решетки из шести струнных волнографов, расположенных в центре и вершинах правильного пятиугольника с радиусом описанной окружности 0.25 м. Расстояние решетки волнографов до ближайшего элемента платформы превышает 10 м. В результате обработки волнографических данных методом максимальной энтропии рассчитываются частотно-угловые спектры возвышений морской поверхности. Решетка волнографов дает частотно-угловые спектры (верхний предел по частоте до 3х частот пика) и частотные спектры до 1 Гц.
В работе представлены результаты исследования поля длинных волн, трансформации спектров короткомасштабных поверхностных волн при различных ветрах и в сликах, обусловленных загрязнениями ПАВ, проявлений нестационарных ветровых потоков на морской поверхности.
На основе модели однократного рассеяния солнечного света предложен алгоритм оценки оптической толщины атмосферы по угловому положению пригоризонтного максимума яркости неба [5]. Приводится пример восстановления оптических толщин атмосферы по фотоснимку для трех длин волн света 450 нм, 520 нм и 670 нм. Полученные значения оптических толщин можно использовать в моделях углового распределения яркости безоблачного неба для оценки статистических характеристик волнения дистанционным оптическим методом.
Развита теория видимости аномалий на морской поверхности в рассеянном свете неба при скользящих углах наблюдения с учетом явления затенения волн [1]. При уменьшении угла наблюдения наблюдается инверсия контрастов аномалий: уменьшение яркости моря при выглаживании волнения (в сликах). Эффект инверсии контраста обусловлен конкуренцией двух механизмов, определяющих яркость поверхности моря: затенением уклонов волн и нелинейностью зависимости яркости поверхности от уклонов волн [4].
Приводится сравнение спектров короткомасштабного волнения, полученных ДОСА, со спектрами, полученными радиометрическими методами во время совместных экспериментов [3]. Получено хорошее совпадение спектров волнения, полученных разными методами.

Работа выполнена при поддержке РФФИ грант № 19-05-00547 а "Развитие новых оптических методов исследования приповерхностных слоев и загрязнений в прибрежной зоне океанов и внутренних водоемах", темы «Мониторинг» (Государственное задание № 01.20.0.2.00164)" и гранта РФФИ № 18-02-01009-а.

Ключевые слова: морское волнение, внутренние волны, оптика, дистанционное зондирование, морская поверхность, изображение поверхности моря, волнографы, скорость ветра
Литература:
  1. Victor Titov, Victor Bakhanov, Stanislav Ermakov, Aleksandr Luchinin, Irina Repina & Irina Sergievskaya. Remote sensing technique for near surface wind by optical images of rough water surface. International Journal of Remote Sensing. 2014. V. 35, Issue 15. P.5946 – 5957 (ID: 948223 DOI:10.1080/01431161.2014.948223).
  2. Bakhanov, V.V., Demakova, A.A., Korinenko, A.E., Ryabkova, M.S. and Titov, V.I., 2018. Estimation of the wind wave spectra with centimeters-to-meter lengths by the sea surface images. Physical Oceanography, [e-journal] 25(3)
  3. V. Titov, V. Bakhanov, A. Demakova, I. Sergievskaya, A. Kuzmin, I. Sadovsky, and D. Sazonov. "Investigation of short-scale sea wave spectra with optical and radiometric methods", Proc. SPIE 11150, Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions 2019, 111501P (14 October 2019); https://doi.org/10.1117/12.2533316
  4. V. I. Titov; V. V. Bakhanov; A. G. Luchinin; E. M. Zuikova. Optical multispectral remote sensing of ocean surface. Proc. SPIE 9878, Remote Sensing of the Oceans and Inland Waters: Techniques, Applications, and Challenges, 98781C (7 May 2016); doi: 10.1117/12.2224150
  5. Bakhanov V. V., Demakova A. A., Titov V. I., 2018. On Near-Horizon Maximum Brightness of Cloudless Sky. Physical Oceanography, [e-journal] 25(6), pp. 477-488. doi:10.22449/1573-160X-2018-5-477-488

Дистанционные исследования поверхности океана и ледяных покровов

342