Дистанционные измерения параметров ветрового волнения с помощью прибрежных СВЧ-радиолокаторов

Представляются первые результаты тестирования дистанционного метода измерения параметров ветрового волнения с помощью навигационных радиолокаторов сантиметрового (СВЧ) диапазона «Фуруно-М1715», производства Японии, и «Река», производства НПФ «Микран», г. Томск. Аппаратура была установлена в Южном отделении Института Океанологии (ЮО ИОРАН) г. Геленджик, Голубая бухта.
РЛС «Фуруно» работала с перерывами с 2011 по 2013 год, РЛС «Река» - зимой 2012-2013 года. Одновременно с РЛС, когда позволяли возможности, в зоне обзора проводились in-situ измерения волнения. Использовались лазерный уровнемер, волновой буй Datawell DWR-G4, и донная станция ADCP Workhorse-600. Такие измерения необходимы как для калибровки радиолокаторов, так и для сравнения результатов.
Для определения значительной высоты волнения использовались оцифрованные радиолокационные данные. Для этого РЛС «Фуруно» была дооборудована 14-разрядным 200 МГц аналого-цифровым преобразователем и соответствующим программным обеспечением. РЛС «Река» такой доработки не требовала, поскольку она изначально использует цифровой сигнал.
Для обработки данных использовался метод, предложенный в работах: Young I.R. et al.: «A Three-dimensional analysis of marine radar images for the determination of ocean wave directionality and surface currents» и Nieto-Borge J.C. et al.: «Signal-to-noise ratio analysis to estimate ocean wave heights from X-band marine radar image time series», который был адаптирован для использования с РЛС «Фуруно» и «Река». Показана применимость схемы интерпретации радиолокационных изображений поверхности моря для оценки значительной высоты волны. Ключевым в методе является фильтрация трехмерного сигнала в спектральной области для разделения спекл-шума и полезного сигнала от волн.
Приводятся примеры определения значительной высоты волнения в моменты прохождения штормов в период с 2011 по 2013 год на Черном море (г. Геленджик, Голубая бухта). Сопоставление значительной высоты волны, полученной радиолокационным способом и из данных in-situ, показало хорошие результаты. Также было проведено сравнение РЛ-измерений волнения с результатами расчета по ветро-волновой модели SWAN. После внесения соответствующих поправок в параметры модели было получено качественное сравнение, из которого следует, что модель SWAN хорошо воспроизводит динамику волнового поля по фазе, но завышает пиковые значения и не воспроизводит его высокочастотные колебания в силу структуры входных данных.
Отдельно было проведено пробное сравнение модельных данных SWAN с альтиметрическими, предоставленными проектом Европейского космического агентства (ESA) Globwave (www.globwave.org).
В дальнейшем вся связка доступных измерений (прибрежные локаторы, калиброванные по данным in-situ, ветро-волновые модели и альтиметры) будет опробована для проведения круглогодичного мониторинга волновых условий на Чёрном и Азовском морях.
Результаты тестирования подтвердили, что разработанная на базе РЛС «Фуруно» и «Река» аппаратура совместно с программным обеспечением может использоваться для дистанционного измерения волнения на удалении 1-3 км от локатора в мониторинговых, гидрометеорологических и т.п. системах.