Поляризационные измерения рассеяния микроволнового излучения на поверхности воды при сильном и ураганном ветре в лабораторных условиях.

Одна из важнейших открытых проблем дистанционного зондирования Земли связана с тем, что имеющиеся алгоритмы восстановления геофизических параметров имеют значительные погрешности при оценке параметров атмосферы и океана в условиях интенсивных штормов. Это связано с насыщением излучающей способности поверхности моря при ураганном ветре на частотах каналов радиометров, используемых в действующих алгоритмах NOAA. В оперативной практике используются и измерения спутниковых радиолокационных устройств, прежде всего, скаттерометров (спутники MetOp, а до ноября 2009 г. и QuikSCAT). В отдельных регионах начато и оперативное использование полей приводного ветра, восстанавливаемых по данным спутниковых радиолокаторов с синтезированной апертурой. Алгоритмы CMOD4 и CMOD5 используют связь удельной эффективной поверхности рассеяния (УЭПР) поверхности воды и скорости ветра для восстановления скорости приводного ветра по измерениям радиолокационного сечения рассеяния. Эти зависимости имеют тенденцию к насыщению при скоростях ветра, превосходящих 25 м/с. Результатом являются потери данных в области максимальных скоростей ветра.
В последнее время был проведен анализ данных изображений, полученных со спутника Radarsat-1 на двух и четырех поляризациях, совместно с данными измерений скорости ветра на океанографических буях NDBC при скоростях ветра, не превышающих 26 м/с. Было показано, что сечение обратного рассеяния на перекрестной поляризации пропорционально скорости ветра в 3-й степени в отличие от аналогичной зависимости на прямой поляризации, которая имеет тенденцию к насыщению. Можно ожидать, что алгоритмы восстановления скорости ветра, основанные на обработке данных о рассеянии на перекрестной поляризации, позволят значительно повысить точность восстановления скорости приводного ветра для условий ураганов и тайфунов. Следует заметить, что в натурных условиях число одновременных дистанционных и контактных измерений высоких скоростей ветра обычно невелико и недостаточно для получения статистических зависимостей, до настоящего времени подобных измерений сделано не было. В связи с этим представляется перспективным подход, связанный с проведением лабораторного моделирования рассеяния радиоволн морской поверхностью в при сильном ветре.
В настоящей работе представлены предварительные данные лабораторных экспериментов, проведенных на высокоскоростном ветроволновом канале ИПФ РАН, которые посвящены исследованию зависимости сечения обратного рассеяния радиоволн Х-диапазона на поверхности воды на прямой и перекрестной поляризациях. Эксперименты показали, что сечение обратного рассеяния поверхности воды при эквивалентной скорости ветра на высоте 10 м меньше 30 м/с растет пропорционально скорости ветра в 3-й степени, как и в натурных условиях. При скоростях ветра, превышающих 30 м/с, рост ветра замедляется и становится линейным. При этом сечение рассеяния на прямой поляризации медленно убывает с увеличением скорости ветра. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности применения рассеяния на перекрестной поляризации для дистанционного измерения ураганных ветров.
Анализ доплеровских спектров рассеянного сигнала на прямой и перекрестной поляризациях показал, что на скоростях ветра, превышающих 14 м/с, в спектре отсутствуют пики, соответствующие брегговской длине волныю При этом основной пик соответствует эквивалентной скорости брегговских рассеивателей, значительно превышающей фазовую скорость энергонесущей волны. Анализ оптических изображений поверхностных волн, полученных с помощью лазерного волнографа, показал, что в их спектрах присутствуют высокочастотные компоненты, имеющие частоты, близкие к наблюдаемым в доплеровских спектрах радиолокационного сигнала. Это, по-видимому, свидетельствует о возможности интерпретации радиолокационного рассеяния как комбинационного. Возрастание сечения обратного рассеяния поверхности воды на перекрестной поляризации при скорости ветра до 30 м/с связано как ростом магнитуды, так и расширением допплеровского спектра. При скоростях ветра больше 30 м/с максимальная спектральная плотность не изменяется, возрастание сечения рассеяния связано с расширением доплеровского спектра.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (код проекта 11-05-12047-офи-м, 10-05-00339-а).