Комплексный эксперимент по исследованию статистических связей ветрового поля с оптическими и микроволновыми характеристиками морской поверхности на черноморском гидрофизическом полигоне «Кацивели»

На Черноморском гидрофизическом полигоне Морского гидрофизического института РАН (МГИ РАН) в сентябре-октябре 2023 г. был проведен комплексный эксперимент по исследованию связи приводного ветра с динамикой развития ветровых волн на морской поверхности, процессов взаимодействия микроволнового собственного излучения на границе морской поверхности и атмосферы с учетом взаимосвязи с ветром в приводном слое атмосферы и структурой морского волнения. Эти исследования носят фундаментальный характер, поскольку необходимы для решения сложных многопараметрических задач оптического и микроволнового зондирования Земли из космоса или борта летательных аппаратов.
Эксперимент проводился на платформе гидрофизического полигона, которая расположена в 600 метрах от берега в Голубой бухте близ поселка Кацивели республика Крым. Для микроволновых измерений использовалась поворотная сканирующая система «Траверс-2», на которой был установлен комплекс из двух радиометров 8-мм диапазона, измеряющих три параметра Стокса микроволнового излучения, и видеокамера. Система «Траверс-2» управлялась программно через компьютер, на который записывались данные и была возможность дистанционного управления через сеть Internet. Два метеорологических комплекса МК-15, расположенных на горизонтах 5 и 25 метров от уровня моря, в составе двух ультразвуковых трехкоординатных анемометров, датчиков температуры, влажности воздуха и атмосферного давления, для контроля основных метеорологических параметров. Термодатчики измеряли температуру воды на глубине 1,5 метра, температуры «горячего» и «холодного» черного тела, использующихся для калибровки радиометров.
Для оптических измерений использовались две видеокамеры Nicon D7000, 3 лазера 450нм мощностью 3 Вт и один лазер 520 нм 1,5 Вт, два сканатора, обеспечивающих развертку лазерного излучения и регистрирующий компьютер для управления сканаторами и лазерами. С помощью этой аппаратуры были разработаны методы высокоточных измерений профиля волнения, которые основаны на синхронизации начала сканирования лазерного луча по морской поверхности и начала записи рассеянного на поверхности излучения на матрицу видеокамеры. Проводилось приведение высот всех точек профиля к единому моменту времени, за счет учета скорости вертикального движения волновой поверхности между видео кадрами и учета времени задержки лазерного луча по отношению к началу развертки. Это позволяет получать «мгновенные» профили морской поверхности с частотой сьемки видеокамеры 30–60 Гц. При этом точность регистрации высоты в каждой точке траектории составляет уровень 0,5 мм, а точность синхронизации по времени 0,1 мс. Методика сканирования повышает отношение сигнал шум на границе раздела, что позволяет проводить измерения в любое время суток.
В настоящее время проводится обработка комплексных натурных измерений приводного ветрового поля с помощью акустических анемометров, параметров морской поверхности с использованием экспедиционной версии оптического волнографа с добавлением радиометрических поляризационных измерений «портрета» взволнованной морской поверхности в микроволновом диапазоне длин волн. Накопление длительных рядов видео изображений гравитационных, гравитационно-капиллярных и капиллярных волн в течение продолжительных интервалов измерений позволит получить статистические связи между динамикой ветрового поля у поверхности и измеренными параметрами волнения. Статистическая обработка и систематизация данных с целью формирования корреляционных связей радиометрического портрета морской поверхности с ветровым режимом и структурой морской поверхности даст возможность получить новые знания о сложных и неоднозначных связях между этими величинами.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (тема «Мониторинг», госрегистрация № 122042500031-8)