Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Основной целью проекта является развитие усовершенствованного подхода для изучения динамики верхнего слоя океана и границы раздела океан-атмосфера на основе анализа спутниковых мульти-поляризационных радиолокационных (включая РСА – радиолокаторы синтезированной апертуры, альтиметры и скаттерометры) и оптических (включая видимый и ИК диапазоны) измерений, поступающих с действующих и планируемых к запуску спутниковых платформ. Для достижения главной цели проекта определены следующие задачи: - разработка нового подхода, основанного на результатах теоретического моделирования, численных и натурных экспериментов, для изучения поверхностных течений, волн и процессов в верхнем слое океана на основе спутниковых радиолокационных и оптических измерений; - получение новых знаний о динамике океана и морской поверхности, взаимодействии океана и атмосферы, влиянии обрушений волн на атмосферный и океанический погранслои, верхний слой океана и на основе анализа спутниковых измерений и их ассимиляции в численных моделях; - создание новых концепций и методик комбинированного использования данных радиолокационных и оптических измерений с функционирующих и планирующихся к запуску космических платформ для более эффективного исследования морской среды. На первом году проекта получены следующие результаты: --- Разработана простая аналитическая модель генерации волн тропическими и полярными циклонами (ТЦ), которая была тестирована на спутниковых альтиметрических измерениях, пересекающих ураганы вблизи к их «глазу». Модель воспроизводит наблюдаемую асимметрию высот волн между передним-правым сектором (где высоты волн аномально большие) и задним-левым сектором, где высоты волн малы. Ключевым параметром, определяющим генерацию аномально высоких волн, является соотношение безразмерного радиуса ТЦ и критического разгона волн, определяемого отношением скорости ветра в ТЦ к скорости его перемещения. Если эти масштабы сопоставимы, то в системе «волны-ураган» возникает резонанс (эффект захвата) в результате которого высоты волн принимают аномально большие значения. Предложен критерий, позволяющий проводить «быструю» оценку генерации аномально высоких волн на основе измерения радиуса, скорости перемещения и скорость ветра на основе спутниковых измерений, например - геостационарных наблюдений. Модель может являться эффективным инструментом раннего предупреждения о катастрофических явлениях. --- Исследовано влияние модуляций обрушений коротких волн на скорость ветрового роста модулирующих ветровых волн. Показано, что отрывы воздушного потока от обрушающихся гребней приводят к сильным вариациям поверхностных напряжений, которые увеличивают скорость роста модулирующей волны за счет усиления работы ветровых напряжений и давления против орбитальных скоростей. Этот механизм приводит к 2-3 кратному увеличению скорости роста волн, что позволяет привести в соответствие существующие классические модели роста волн (которые существенно занижают скорость роста волн) с наблюдениями. --- Проведен анализ эмпирических геофизических функций для ко-поляризационного (ВВ и ГГ) РЛ рассеяния в С- Ku- и Ка- диапазонов, показавший, что при умеренных углах падения относительный вклад неполяризованного рассеяния (вклад обрушений волн) составляет 20-40% на ВВ поляризации и 40-60% на ГГ поляризации, и увеличивается с уменьшением длины радиоволны, увеличением угла падения и скорости ветра. --- На основе Поляризационной разности, ВВ-ГГ, в L-, C-, Ku- и Ка- диапазонах определены спектры коротких волн (в диапазоне волновых чисел от 50 до 1200 рад/м). Показано, что современные модели спектра коротких волн существенно занижают спектральный уровень в капиллярном диапазоне, и требуют существенной модификации. --- Разработана физическая модель радиолокационного рассеяния радиоволн на морской поверхности на ко- и кросс-поляризациях, учитывающая вклад обрушений волн и влияния пленок ПАВ. Ключевым элементом является модель «шероховатости» гребня обрушающейся волны, основанная на идее каскадного дробления обрушающегося гребня. По мере дробления, и распространения энергии в меньшие масштабы, образуются разрывы поверхности с захватом воздуха (образование пены). Спектры шероховатости гребней обрушающихся волн ассимилирован в модели ко- и кросс-поляризационного РЛ рассеяния. Начаты работы по тестированию данной модели на данных РЛ-измерений с Черноморской платформы. --- На основе анализа данных РЛ измерений и видео-регистрации морской поверхности, полученных в экспериментах с Черноморской платформы, проведены предварительные оценки вкладов брегговского рассеяния и видимых обрушений ветровых волн в УЭПР морской поверхности и Доплеровский сдвиг сигнала. Продемонстрировано, что значимую роль играют микро-обрушения, которые не проявляются в оптических изображениях. Показано, что с ростом скорости ветра относительный вклад видимых и микро обрушений в УЭПР и Допплеровский сдвиг частоты увеличивается. --- Произведена модификация модели обратного рассеяния (УЭПР и Допплеровский сдвиг) в Ка-диапазоне, в которой учтено влияние механизма генерации паразитных капилляров и модуляции ветровых напряжений длинными волнами. Начаты работы по тестированию модели на данных натурных измерений. --- Создана база спутниковых изображений Черного моря, полученных со сканеров OLI, ETM+, MODIS, Landsat 4, 5, 7, 8 и РСА Sentinel-1, на которых зафиксированы проявления поверхностных загрязнений, загрязнений взвешенными веществами и проявления суб- и мезомасштабных процессов. Проведен предварительный анализ данных, направленный на картирование наблюдаемых явлений и определение физических механизмов формирования их проявлений в оптических и РСА изображениях. --- Разработан программный комплекс, который позволяет загружать и анализировать спутниковые и метеорологические данные для любого региона. Данный комплекс позволяет анализировать различные параметры этих характеристик: определять климатическую изменчивость параметров, сезонную и межгодовую изменчивость интегральных характеристик, тренды, дисперсию и т.д.. Кроме того, данная программа позволяет проводить сопоставление спутниковых и метеорологических данных для выявления связей между различными параметрами и проведения интер-калибрации спутниковых продуктов. --- Проведена модификация модели циркуляции Черного моря, позволяющая проводить расчеты на сетке с различным пространственным разрешением, вплоть до разрешения порядка километра на заданном полигоне. Модифицированная модель адаптирована к начальным и граничным условиям оперативной модели. Проведены тестовые численные эксперименты, и сопоставление средних модельных характеристик пространственной изменчивости с данными синтетического массива, включающих спутниковые измерения. Результатов моделирования и данных наблюдений хорошо совпадают качественно и количественно. Результаты исследований представлены в 3-х научных статьях, входящих в базу данных Web of Science: Journal Geophysical Research, 120, 2015, doi:10.1002/ 2015JC011284, Journal of Physical Oceanography, 2015, DOI: 10.1175/JPO‐D‐14‐0216 (in press), и Известия РАН, ФАО, (находится на рецензии).

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Основной целью проекта является развитие усовершенствованного подхода для изучения динамики верхнего слоя океана и границы раздела океан-атмосфера на основе анализа спутниковых мульти-поляризационных радиолокационных (включая РСА – радиолокаторы синтезированной апертуры, альтиметры и скаттерометры) и оптических (включая видимый и ИК диапазоны) измерений, поступающих с действующих и планируемых к запуску спутниковых платформ. Для достижения главной цели проекта определены следующие задачи: - разработка нового подхода, основанного на результатах теоретического моделирования, численных и натурных экспериментов, для изучения поверхностных течений, волн и процессов в верхнем слое океана на основе спутниковых радиолокационных и оптических измерений; - получение новых знаний о динамике океана и морской поверхности, взаимодействии океана и атмосферы, влиянии обрушений волн на атмосферный и океанический погранслои, верхний слой океана на основе анализа спутниковых измерений и их ассимиляции в численных моделях; - создание новых концепций и методик комбинированного использования данных радиолокационных и оптических измерений с функционирующих и планирующихся к запуску космических платформ для более эффективного исследования морской среды. На втором году проекта получены следующие основные результаты: - Разработана модель «шероховатости» гребней обрушающихся волн, основанная на идеях Колмогорова о каскадной генерации спектра турбулентности. Спектр шероховатости формируется за счет каскадного дробления гребня обрушающейся волны. Поток энергии, обеспечивающий дробление гребня волны на мелкие части пропорционален кубу фазовой скорости. Предложена форма спектра основанная на анализе размерностей. В области мелких масштабов и увеличения кривизны, поверхность не способна сохранять свою непрерывность. В результате образуются разрывы поверхности с захватом воздуха и, соответственно, - образование пены. Модель обобщена на случай влияния сликов на интенсивность обрушений путем учета подавления каскадного потока энергии. - Разработана эмпирическая геофизическая модель удельной эффективной площади рассеяния морской поверхности в Ка-диапазоне на вертикальной и горизонтальной поляризациях излучения/приёма, работающая в диапазоне углов падения от 25° до 65° и скоростей ветра от 3 м/с до 18 м/с, которая может найти широкое применение в анализе измерений с современных спутниковых систем. Установлено, что относительный вклад неполяризованных (НП) отражений, связанных с обрушением волн, значителен и достигает 60% – 80% для ГГ и 25% – 50 % для ВВ поляризации. Получено, что ветровая зависимость НП компоненты ниже, чем для брегговских волн. Поэтому относительный вклад НП рассеяния в Ка-диапазоне уменьшается с увеличением скорости ветра. - Предложена модель радиолокационного рассеяния на морской поверхности на ко- и кросс-поляризациях, учитывающая вклад обрушений волн и влияния пленок ПАВ. Модель тестирована на данных 4-х поляризационных измерений в С-полосе с РСА Radarsat-2 при скоростях ветра 4-8 м/с как для чистой поверхности, так и поверхности покрытой сырой нефтью, эмульсией и маслом. Получены принципиально новые экспериментальные данные о подавлении коротких волн и обрушений волн в сликах. - Разработан метод восстановления двумерного спектра поверхностных волн по спутниковым изображениям высокого разрешения в зоне солнечного блика. Метод применен к многоканальным измерениям Sentinel-2. Метод основан на прямом определении передаточной функции (МПФ) по измеряемому полю двумерных градиентов яркости. Используя МПФ, вариации яркости пересчитываются в 3-х мерную топографию морской поверхности с последующим расчетом пространственного спектра. Временная задержка между каналами использована для оценки дисперсионного соотношения. Сопоставление спектров волн по изображениям Sentinel-2 с волновыми измерениями с буев в Тихом и Атлантическом океане, показало хорошее количественное соответствие. - На основе данных натурных наблюдений проанализированы доплеровские характеристики радиолокационного сигнала Ка-диапазона. Показано, что средняя мгновенная доплеровская скорость согласуется с брегговской моделью рассеяния, что позволяет использовать ее для определения скорости поверхностного течения. Средневзвешенные доплеровские скорости существенно больше, чем фазовая скорость брегговских волн, что указывает на влияние корреляции модуляции интенсивности рассеивателей со скоростью их движения. На основе одновременных волнографических и радиолокационных измерений сделаны эмпирические оценки МПФ. Показана возможность восстановления скорости течения по измеренному доплеровскому сдвигу, скорости ветра и спектру поверхностных волн. - Предложена усовершенствованная модель Доплеровского сдвига в Ка-диапазоне (длина волны 8 мм). Усовершенствование модели связано с более точным включением Брэгговских капиллярных волн и модуляций ветра в модель обратного рассеяния. Брэгговские волны в Ка-диапазоне относятся к паразитным капиллярным волнам, которые генерируются микрообрушениями коротких гравитационных волн. Гидродинамическая модуляция паразитных капилляров описывается каскадным механизмом, который приводит к сильным модуляциям и значительному вкладу в средний доплеровский сдвиг. Модель находится в стадии тестирования на данных эксперимента с Черноморской платформы. - Исследована трансформация поверхностных волн на океанических течениях на основе спутниковых измерений спектров волн (Sentinel-2) и альтиметрических измерений течений (на примере течения м. Игольного). Обнаружены значительные изменения спектров волн на стрежне течении, сопровождающиеся 3-7 кратным увеличением энергии. Модельные расчеты, показали, что наблюдаемое усиление волн объясняется эффектом захвата волн течением, которое представляет реальную опасность судоходству. - Исследованы механизмы формирования радиолокационных изображений особенностей батиметрии в районе Yangtze Estuary на основе РСА наблюдений и моделирования (РСА модель RIM, и модели течения Delft3D-FLOW и TELEMAC). Результаты показали, что наблюдаемые аномалии РСА изображений совпадают с зонами резких изменений донной топографии, ассоциируемых с зонами конвергенции/дивергенции. Результаты могут быть использованы для развития РСА мониторинга донной топографии на неглубоких акваториях - Получены новые результаты по телескопизации численной модели циркуляции Черного моря. Сетка с пространственным разрешением порядка 1 км реализована в региональной конфигурации модели NEMO для района южного берега Крыма. Идентифицированы параметры модели, требующие дальнейшей настройки. Результаты исследований по 2-му году проекта представлены в 7 научных статьях, индексируемых в базах данных Web of Science and SCOPUS: - Journal Geophysical Research - Oceans, - IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, - IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, - Известия РАН, Физика Атмосферы и Океана.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Основной целью проекта является развитие усовершенствованного подхода для изучения динамики верхнего слоя океана и границы раздела океан-атмосфера на основе анализа спутниковых мульти-поляризационных радиолокационных (включая РСА - радиолокаторы синтезированной апертуры, альтиметры и скаттерометры) и оптических (включая видимый и ИК диапазоны) измерений, поступающих с действующих и планируемых к запуску спутниковых платформ. Для достижения главной цели проекта определены следующие задачи: 1. Разработка нового подхода, основанного на результатах теоретического моделирования, численных и натурных экспериментов, для изучения поверхностных течений, волн и процессов в верхнем слое океана на основе спутниковых радиолокационных и оптических измерений; 2. Получение новых знаний о динамике океана и морской поверхности, взаимодействии океана и атмосферы, влиянии обрушений волн на атмосферный и океанический погранслои, верхний слой океана на основе анализа спутниковых измерений и их ассимиляции в численных моделях; 3. Создание новых концепций и методик комбинированного использования данных радиолокационных и оптических измерений с функционирующих и планирующихся к запуску космических платформ для более эффективного исследования морской среды. В результате выполнения проекта в 2017 гг. получены следующие результаты: - на основе анализа геофизических модельных функций УЭПР на вертикальной и горизонтальной поляризациях излучения и приёма исследованы средний уровень и азимутальная ширина спектра коротких волн в реальных условиях при разных скоростях ветра в широком диапазоне волновых чисел (от 20 рад/м до 1200 рад/м). Показано, что в гравитационно-капиллярной области (L-диапазон) спектр становится изотропным при слабых ветрах (5 м/с). Этот эффект может быть объяснён флуктуациями направления ветра, которые увеличиваются с уменьшением его скорости. На основе проведённого анализа усовершенствована теоретическая модель спектра, который в дальнейшем может быть использован в различных геофизических приложениях; - выполнен анализ данных радиолокационных измерений в X-диапазоне при горизонтальной поляризации сигнала при больших углах падения, в результате которого построена эмпирическая модельная функция, аналогичная модели CMOD5, используемой для спутниковых данных - на основе анализа натурных данных показано, что всплески доплеровской скорости при наблюдении морской поверхности имеют существенно меньшую нормированную на среднее амплитуду, чем всплески интенсивности рассеяния. В частности, при малых и умеренных углах падения абсолютная амплитуда всплесков доплеровской скорости существенно меньше, чем лучевая проекция фазовой скорости волн пика. При больших углах падения (>60 градусов) и горизонтальной поляризации излучения относительная амплитуда всплесков доплеровской скорости возрастает. В результате при малых и умеренных углах падения спектры доплеровских скоростей совпадают со спектрами лучевых проекций орбитальных скоростей в пределах доверительных интервалов. Наличие сильных всплесков при больших углах падения на горизонтальной поляризации ведёт к тому, что спектральная плотность доплеровской скорости оказывается завышенной по сравнению со спектральной плотностью орбитальной скорости. Объяснением этому служит различие механизмов рассеяния от вызывающих всплески обрушений при больших и малых углах падения. При больших углах падения происходит квази-зеркальное отражение от переднего склона разрушающегося гребня волны. В результате доплеровская скорость соответствует фазовой скорости обрушения. При умеренных и малых углах падения рассеяние происходит на сильно шероховатых структурах возникающих в результате обрушения. Наблюдаемые малые величины доплеровской скорости свидетельствуют о том, что такие структуры быстро «встраиваются» в морскую поверхность. Поэтому измеряемые скорости соответствуют скоростям орбитальных движений, но не фазовым скоростям перемещения гребней волн. Данный результат существенно меняет принятую ранее [Hansenetal. 2012] концепцию теоретической модели доплеровской скорости, в которой считалось, что доплеровские скорости обрушений соответствуют их фазовым скоростям. - в результате анализа эмпирических модуляционных передаточных функций (МПФ) Ка-диапазона оценены характеристики гидродинамических модуляций брегговской ряби и обрушений ветровых волн. - исследованы механизмы проявления обрушений ветровых волн в радиолокационном сигнале Ка-диапазона при умеренных углах падения. Обнаружена высокая корреляция между временными рядами площади пятна облучения, занятой микрообрушениями, и УЭПР морской поверхности (0.76 для горизонтальной и 0.7 для вертикальной поляризации. Рассчитана безразмерная модуляционная передаточная функция для обрушений ветровых волн. Её модуль составляет ~10 при ветрах 8-12 м/с и возрастает до ~30 при уменьшении скорости ветра до 5 м/с. Максимум интенсивности обрушений приходится на гребень длинной волны; - предложен простой способ восстановления спектра поверхностных волн по изображениям морской поверхности в зоне солнечного блика на основе измерений с БПЛА. Методика основывается на построении линейной передаточной функции между спектром вариаций яркости изображения в блике и спектром возвышений морской поверхности. Достоинством метода является отсутствие каких-либо дополнительных предположений о форме восстанавливаемого спектра и функции распределения уклонов поверхности; - разработана модель отображения барашков (гребни обрушающихся волн) на спутниковых оптических изображениях поверхности моря высокого пространственного разрешения (на примере Landsat-8). На основе этой модели построен алгоритм идентификации и определения количественных характеристик обрушений волн, - доли поверхности моря покрытой барашками, число обрушений волн на единицу поверхности. На основе этой модели исследована зависимость обрушений волн от метеопараметров и состояния поверхности. Установлены зависимости обрушений волн от скорости ветра и стратификации атмосферного погранслоя, и оценена зависимость барашков от стадии развития ветрового волнения; - исследована взаимосвязь аномалий обрушений волн с градиентами суб- и мезо-масштабных течений. Показано, что наблюдаемые аномалии обрушений волн имеют явную связь с «внешними» океанографическими процессами, - внутренними волнами, особенностями батиметрии, границами фронтальных разделов; - произведена реконструкция мезомасштабных течений и зон конвергенции течений по спутниковым полям ИК температуры океана и полям скаттерометрического (и/или модельного) ветра. Установлено, что положение «линейных» зон аномалий обрушений коррелирует с реконструированными зонами конвергенции/дивергенции мезомасштабных течений. Показано, что существование аномалии обрушений на синоптических масштабах является следствием изменения относительного ветра при «прилипанием» атмосферного погранслоя к движущеяся (за счет течения) поверхности океана; - в результате анализа ENVISAT ASAR получено распределение ВВ по бровке и склону шельфа в море Лаптевых. Показано, что количество обнаруженных в мае-октябре 2011 г. внутренних волн меньше, чем в соседних Баренцевом и Карским морях, что связано с более низкой приливной активностью.Большинство ВВ (65% от общего числа) наблюдаются рядом с шельфовым склоном. На внешнем шельфе ВВ регулярно наблюдаются к востоку от Малого Таймыра. и к северу от о.Котельный. На внутреннем шельфе ВВ наблюдаются к востоку от залива Хатанга.Регулярность наблюдений ВВ показывает, что они имеют приливное происхождение; - подготовлены алгоритмы усвоения наблюдений зон конвергенции/дивергенции и последовательности оптических измерений с ИСЗ в полутораслойной и трехмерной модели циркуляции вод морского бассейна. В качестве одного из основных факторов, влияющих на точность ассимиляции отмеченных выше наблюдений, выделены инерционные колебания, возникающие при изменениях скорости ветра. Построена модель инерционных колебаний в присутствии произвольно меняющихся во времени и по пространству течений со сдвигом скорости, Построенная модель позволяет оценивать погрешности, возникающие при ассимиляции охватывающих обширные площади морской поверхности, но дискретных во времени наблюдений с ИСЗ. Результаты исследований в 3-м году проекта представлены в 12 научных статьях в журналах индексируемых в базах данных Web of Science and SCOPUS: - IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing - IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters - International Journal of Remote Sensing - Ocean Science - Известия РАН. Физика атмосферы и океана - Известия ВУЗов, Радиофизика - Доклады РАН - Современные Проблемы Дистанционного Зондирования Земли из Космоса Результаты проекта с упоминанием Фонда были опубликованы в СМИ: https://doi.org/10.1029/2017EO069959 (AGU, Eos Earth & Space Science News) https://www.gazeta.ru/science/news/2017/05/23/n_10082189.shtml (интернет-ресурс газета.ru) https://elibrary.ru/item.asp?id=29823245 (“Природа”)