Восстановление турбулентного потока импульса в пограничном слое атмосферы по измерениям сечения рассеяния СВЧ радиоволн поверхностью моря на ортогональной поляризации

Важнейшей динамической характеристикой приводного пограничного слоя атмосферы является турбулентный поток импульса или касательное турбулентное напряжение, а также эквивалентная характеристика, динамическая скорость ветра, связанная с турбулентных напряжением простым соотношением. Она характеризует силовое касательное воздействие ветра на поверхность воды и определяет поток энергии к волнам и их параметры. Касательное турбулентное напряжение определяет параметры ветрового нагона, оно является движущей силой циркуляции океана, определяет перемешивание в верхнем слое океана, которое, в свою очередь, определяет положение термоклина и температуру поверхности океана, перенос питательных веществ из нижних слоев океана, способствуя биосинтезу, обеспечивает вентиляцию глубинных слоев океана.
Строго говоря, активные микроволновые приборы, измеряющие скорость ветра по характеристикам излучения, рассеянного морской поверхностью, идеально приспособлены для измерения именно касательного турбулентного напряжения ветра, поскольку рассеяние электромагнитных воле сантиметрового диапазона происходит на шероховатости морской поверхности, которая, в свою очередь, определяется главным образом именно касательным напряжением. Следствием этого является более сильная корреляция сечения рассеяния поверхности воды с турбулентным напряжением, чем со скоростью ветра, отмеченная рядом авторов. Однако традиционно алгоритмы восстановления параметров приводного ветра по данным микроволнового зондирования, основаны на использовании геофизических модельных функций (ГМФ), в которых удельное сечение рассеяния поверхности воды (УЭПР) выражается через значение скорости ветра на стандартной метеорологической высоте 10 м в нейтральной атмосфере. При этом касательное напряжение в дальнейшем вычисляется отдельно с использованием "балк-формулы". Описанный алгоритм имеет значительные погрешности особенно при штормовых и ураганных ветрах.
Целью настоящей работы является построение геофизической модельной функции (ГМФ) для восстановления скорости ветра и касательного турбулентного напряжения в пограничном слое атмосферы при сильных ветрах по рассеянию микроволнового излучения поверхностью воды на ортогональной поляризации. Отправной точкой этого исследования является лабораторный эксперимент, связанный с изучением рассеяния излучения Х-диапазона (с длиной волны 3.2 см). Прежде всего, было показано, что удельная эффективная площадь рассеяния (УЭПР) на ортогональной поляризации чувствительность к скорости трения ветра при сильных ветрах в отличие от соосной поляризации. А затем на основе анализа доплеровских спектров и одновременных измерений параметров поверхностных волн, предложена гипотеза о том, что при сильных ветрах рассеянный на ортогональной поляризации сигнал формируется в основном за счет рассеяния от гребней обрушающихся волн. Гипотеза подтверждается экспериментально обнаруженной пропорциональной зависимостью между мощностью рассеянного сигнала на ортогональной поляризации и долей площади поверхности воды, занимаемой областью обрушений. Эти результаты, полученные в лабораторных условиях, применяются для построения аналогичных зависимостей для натурных условий.
С использованием феноменологического подхода предложена параметризация зависимости доли поверхности обрушений от динамической скорости ветра. На основе этой параметризации выведена эмпирическая функция, выражающая УЭПР на ортогональной поляризации от динамической скорости ветра. С использованием параметризации аэродинамического сопротивления поверхности океана, применимой при сильных ветрах, эта зависимость верифицирована на основе имеющихся данных совмещенных спутниковых измерений УЭПР на ортогональной поляризации для С-диапазона и наземных измерений скорости приводного ветра. Предложены ГМФ для восстановления динамической скорости ветра, а также скорости приземного ветра. Анализ показывает, что учет зависимости УЭПР от угла падения излучения повышает точность восстановления как динамической скорости ветра, так и скорости приземного ветра.