Потенциальные возможности многочастотного дистанционного зондирования водной поверхности для измерения коротковолновой части спектра волнения

Это исследование направлено на получение новой информации для анализа особенностей формирования поверхностного волнения под действием приводного ветра. В работе разрабатывается подход получения информация об изменчивости коротковолновой части спектра волнения (длины волн в интервале примерно от 50 см до 2 см в 6 интервалах) в реальных морских условиях при синхронном измерении длинноволновой составляющей спектра волнения (> 1 м). Полученная информация позволит исследовать взаимодействие ветра с коротковолновой и длинноволновой составляющими спектра волнения и будет востребована учеными, занимающимися численным моделированием глобального волнового климата и заинтересованными в уточнении модели взаимодействия приводного ветра с волнами. Кроме того, это позволит повысить точность восстановления скорости приводного ветра по данным дистанционного зондирования.
Для изучения и использования коротковолновой части спектра волнения в модельных построениях необходимо научиться их измерять. Однако в морских условиях измерение коротковолновой части спектра волнения является сложной задачей.
Исследование дисперсий уклонов волн в зависимости от различной длины волны микроволнового излучения проводилось в работах (Запевалов и др., 2020; Danilytchev et al., 2009). В работах (Kuznetsova et al., 2019; Panfilova et al., 2021) исследуется вопрос корректного сравнения уклонов смоделированных WAVEWATCH III и измеренных спутниковым радиолокатором.
В связи с этим разработка новых приборов для измерения «шероховатости» коротковолновой части спектра волнения (начиная с длины волны 2 см и более в нескольких интервалах) является крайне актуальной и важной.
В данной работе предлагается для анализа высокочастотной части спектра волнения в 6 интервалах использовать шестичастотный импульсный подводный акустический волнограф (длины волн 8 мм, 21 мм, 3 см, 5.5 см, 10 см, 23 см) с широкими диаграммами направленности антенн (ширина на уровне половинной мощности 15°) для каждой частоты. Подводный акустический волнограф предлагается устанавливать на дне или плавучей подводной платформе так, чтобы его антенны были направлены вертикально вверх на водную поверхность.
Для определения дисперсии уклонов поверхности для каждой излучаемой длины волны будут использоваться два подхода заимствованных из радиолокации и новых для гидроакустики: первый основан на анализе формы отраженного импульса (Brown, 1977), второй будет использовать зависимость отраженной мощности от угла падения (Panfilova et al., 2020).
Таким образом подводным акустическим волнографом для каждой частоты излучения может измеряться дисперсия уклонов водной поверхности.
Дисперсия уклонов, измеряемая гидролокатором и радиолокатором, определяется интегралом от спектра уклонов поверхности взятому в пределах от 0 до граничного волнового числа, зависящего от интенсивности волнения и длины волны излучения.
Разности дисперсий уклонов, измеренные гидролокаторами, работающими на разных длинах волн, будут определяться интегралом по спектру уклонов в пределах граничных волновых чисел анализируемых гидролокаторов. Таким образом, эти разностные дисперсии уклонов будут содержать информацию о волнении в выбранном диапазоне длин волн.
Особенностью разности наклонов является вычитание крупномасштабного волнения, которое может включать волны зыби и другие волны, распространяющиеся на большие расстояния. Наклоны в интервалах будут определяться только волнами, вызванными мгновенным ветром, что делает их более стабильными по сравнению с полными наклонами в реальных измерениях.
В работе проведено теоретическое исследование восстановленных по отраженным импульсам дисперсий уклонов для разных частот излучения в зависимости от скорости приповерхностного ветра. Так же проведено исследование 6 интервалов восстановленных дисперсий уклонов в зависимости от скорости ветра. В реальном эксперименте при наличии многомодового волнения дисперсии уклонов в интервалах граничных волновых чисел должны оказаться лучше связаны с мгновенной скоростью приповерхностного ветра, чем полные дисперсии уклонов так как не учитывают вклад крупномасштабных волн.
Предложен подход восстановления спектра высот и спектра уклонов мелкомасштабных волн в выбранных интервалах частот излучения. Данный подход может использоваться для определения закона спадания спектра волнения на различных интервалах волновых чисел в эксперименте с многочастотным подводным акустическим волнографом.
Таким образом в теоретическом исследовании показано, что многочастотный подводный акустический волнограф позволит исследовать разные коротковолновые диапазоны длин поверхностных волн в эксперименте и определить законы спадания спектра высот и уклонов волн в этих диапазонах.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-77-10089).