Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов оценки и прогнозирования опасных метеорологических явлений в океане на основе инновационных микроволновых технологий и новых физических моделей взаимодействия атмосферы и океана при штормовых условиях

Номер контракта: 14.616.21.0059

Руководитель: Троицкая Юлия Игоревна

Должность: заведующий отделом 230 нелинейных геофизических процесов ИПФ РАН

Организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:

Цель проекта:
1. Ключевая научная проблема, на решение которой направлен реализуемый проект, связана с развитием новых технологий дистанционного зондирования для мониторинга поверхности океана при сильных ветрах , а также создание новой модели взаимодействия атмосферы и океана, применимой в широком диапазоне погодных условий (до ураганов). Полученные результаты необходимы для понимания фундаментальных аспектов воздушного / морского взаимодействия, а также для повышения точности оперативных моделей прогнозирования, используемых для проводки судов, морской деятельности и прогнозирования штормовых нагонов, как для Европы, так и России. 2. Целью проекта является разработка методов и технологических решений для оценки и прогноза опасных метеорологических явлений в океане на основе новых микроволновых технологий, а также применения новых физических представлений о процессах вблизи границы раздела атмосферы и океана. Объединение исследовательского опыта, последних научных достижений и уникальной научной инфраструктуры Российских и Европейских участников проекта должно привести к получению значимых научных результатов, созданию новых и эффективных методов и средств и информационных услуг для существенного повышения надежности прогнозов опасных явлений погоды в интересах повышения безопасности морской деятельности и качества жизни населения прибрежных территорий.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Результаты теоретических исследований (расчетов) по разработке конструкции элементов экспериментального образца доплеровского скаттерометра Х-диапазона, работающего на прямой и перекрестной поляризации (антенной системы, СВЧ тракта, НЧ блока).
5 Методика измерения уклонов коротковолновой части спектра поверхностных волн;
6 Модель развития нелинейных поверхностных волн, применимая для условий, типичных для ураганных ветров на основе обобщенного кинетического уравнения.
7 Результаты по экспериментальным исследованиям коротковолновой части спектра поверхностных волн в широком диапазоне условий.
8 Результаты по экспериментальным исследованиям характеристик воздушного потока над обрушающимися поверхностными волнами.
9 Результаты по экспериментальным исследованиям процессов газообмена на границе раздела воды и воздуха при ураганном ветре.
10 Методика расчета интенсивности газообмена в зависимости от скорости приводного ветра в широком диапазоне включая ураганные.
11 Результаты по экспериментальным исследованиям процессов обмена импульсом и механизмов генерации брызг при сильных (ураганных) ветрах
12 Методика расчета турбулентного потока импульса в зависимости от скорости приводного ветра в широком диапазоне включая ураганные.
13 Экспериментальный образец (ЭО) доплеровского скаттерометра Х- диапазона, работающего на прямой и перекрестной поляризации для изучения рассеяния микроволнового излучения на поверхности воды.
13 Результаты экспериментальных исследований с помощью экспериментального образца скаттерометра рассеяния микроволнового излучения на прямой и перекрестной поляризации при сильных ветрах.
14 Методика для восстановления скорости приводного ветра по измерению деполяризации излучения в широком диапазоне, включая ураганные ветра.
15 Прототип программного комплекса для оценки характеристик приводного слоя атмосферы (включая поля скорости приводного ветра, поля турбулентного потока импульса тепла и двуокиси углерода) по данным микроволнового зондирования поверхности океана, применимой для штормовых и ураганных условий.
16 Рекомендации по использованию результатов проведенных исследований в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
17 Техническое задание на проведение ОКР по теме: «Разработка системы оценки и прогнозирования опасных метеорологических явлений в океане».
18 Мероприятия по демонстрации и популяризации результатов и достижений в рамках проводимых исследований (рабочие встречи, семинары, доклады на зарубежных и российских конференциях, интернет-ресурсы).
Ожидаемые результаты будут получены в тесном сотрудничестве с консорциумом партнеров из стран ЕС.

2.Основной характеристикой всех планируемых результатов работ, в том числе и прототипа программного комплекса для оценки поля скорости приводного ветра по данным микроволнового зондирования поверхности океана на перекрестной поляризации является их применимость для случая штормовых ветров, скорость которых может достигать 40 м/c (скорость пересчитанная на стандартную метеорологическую высоту 10 м).
Экспериментальный образец скаттерометра, предназначенный для изучения рассеяния микроволнового излучения на поверхности воды, будет характеризоваться возможностью проведения измерений как на прямой, так и на перекрестной поляризации, что приведет к дополнительным возможностям для определения скорости ветра по данным рассеяния микроволнового излучения.
Все экспериментальные данные будут получены в широком диапазоне параметров ветра и волн. Данный результат будет достигнут за счет того, что экспериментальные исследования будут проводиться в тесном сотрудничестве с тремя иностранными партнерами, с использованием трех крупных экспериментальных стендов: LASIF университета Экс-Марсель (Франция), Aeolotron Университета Гейдельберга (Германия) и ВВК БТСБ ИПФ РАН.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1.Конечным продуктом, планируемым к созданию при выполнении проекта является прототип программного комплекса для определения параметров пограничных слоев океана и атмосферы по данным дистанционного (в том числе, космического) зондирования, на основе новых микроволновых технологий и новых физических представлений о взаимодействии атмосферы и океана при штормовом и ураганном ветре. Использование такого комплекса, включающего в себя новые алгоритмы для восстановления скорости ураганного ветра, а также новые модели турбулентных потоков, учитывающие достижения последнего времени, новые модели ветровой накачки при моделировании волнения позволит повысить качество оценок параметров приводного слоя атмосферы и характеристик поверхностного волнения, что в конечном итоге приведет к значительному прогрессу в области развития новых спутниковых микроволновых технологий, способных осуществлять мониторинг очень сильных ветров над морем, а также будет способствовать повышению безопасности морской деятельности и качества жизни населения прибрежной зоны.

2. Работы проводятся в сотрудничестве с тремя иностранными партнерами. При этом каждый из партнеров располагает уникальными научными комплексами, обладающими различным спектром возможностей для моделирования взаимодействия океана-атмосферы, что ведет к разработке новых технологий дистанционного зондирования для мониторинга поверхности океана при сильных ветрах по своим возможностям значительно превосходящих все исследования, проводимые в рамках одного научного комплекса и сочетающих в себе знания из различных областей . Все планируемые в ходе работы результаты будут новыми, в том числе будут созданы: уникальный программный комплекс для определения параметров пограничных слоев океана и атмосферы при штормовых и ураганных ветрах по данным дистанционного (в том числе, космического) зондирования, включающий в себя инновационную методику для восстановления скорости приводного ветра по измерению деполяризации отраженного микроволнового излучения в широком диапазоне включая ураганные ветра; новую методику получения значения турбулентного потока импульса в пограничном слое по данным о приводной скорости ветра в широком диапазоне условий, включая ураганы, а также новую методику получения значения турбулентного потока двуокиси углерода в атмосферу с поверхности гидросферы по данным о приводной скорости ветра в широком диапазоне условий, включая ураганы, в рамках работы также будет разработана новой модели взаимодействия атмосферы и океана, применимой в широком диапазоне погодных условий (вплоть до ураганов). Новые алгоритмы и программное обеспечение, создаваемые в рамках проекта, будут представлять собой предметы авторского права, подлежащие регистрации.

3. Предпочтительные современные методы метеорологического мониторинга в оперативной практике прогноза погоды связаны с использованием спутникового дистанционного зондирования. Большие преимущества при мониторинге неблагоприятных погодных условий имеют методы микроволновой диагностики, поскольку в этом диапазоне поглощение атмосферными газами и облаками заметно снижено (особенно для волн сантиметрового и дециметрового диапазонов), что позволяет осуществлять круглосуточный мониторинг поверхности Земли практически при любых метеорологических условиях [1]. Однако традиционные алгоритмы восстановления параметров атмосферы при штормовом и ураганном ветре имеют значительные ограничения, связанные с физическими особенностями рассеяния электромагнитных волн на поверхности моря при шторме. С этим связан поиск принципиально новых методов мониторинга поверхности океана. Особый интерес в последнее время вызывает инновационная технология измерения скорости приводного ветра, основанная на приеме рассеянного сигнала на перекрестной поляризации, сохраняющая высокую чувствительность при измерении высоких скоростей ветра [2]. Уже сейчас эта технология может применяться для оценки скорости ветра при ураганных условиях по изображениям поверхности океана, полученным с помощью радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА-изображения) на перекрестной поляризации. Такими радиолокаторами оборудован ряд искусственных спутников Земли (ИСЗ) геофизической направленности таких, как Radarsat канадского космического агентства, Sentinel Европейского космического агентства, TerraSAR Немецкого космического агентства и ряда других. Метеорологические спутники нового поколения (MetOp-SG), которые планируются к запуску в 2020 г., будут иметь на борту скаттерометр, один из каналов которого будет принимать сигнал, рассеянный поверхностью моря на перекрестной поляризации. В связи с этим в странах ЕС, США и Канаде сейчас отмечается большой интерес к разработке алгоритмов восстановления скорости ветра по степени деполяризации принимаемого микроволнового излучения.
Современные модели прогноза штормового ветра, нагона и волнения на данный момент не могут считаться вполне удовлетворительными [3]. В частности, точность прогноза волнения при штормовых условиях не превышает 30%, что обусловлено погрешностями параметризации взаимодействия атмосферы и океана и нелинейного взаимодействия волн. Требуется их оптимизация с учетом новых физических представлений о процессах, происходящих вблизи границы раздела атмосферы и океана, которые были получены в последнее время на основе новых экспериментальных, теоретических и численных подходов [4, 5].
Уточнение моделей турбулентного обмена между океаном и атмосферой при штормовых и ураганных условиях позволяет создать новый инструмент и для фундаментальных исследований климатической системы Земли. Особо следует отметить возможность оценки интенсивности газообмена (в частности, для парниковых газов) между атмосферой и океаном, которая резко усиливается при штормовом и ураганном ветре.
1. Бондур В.Г. 2014. Космический мониторинг тропических циклонов. М.: Научный мир. http://www.aerocosmos.info/event_detail.php?ELEMENT_ID=2731. ISBN 978-5-91522-356-0
2. Z. Biao. 2012 Cross-Polarized Synthetic Aperture Radar: A New Potential Measurement Technique for Hurricanes. Bulletin of the American Meteorological Society, 93, 531–541. Impact 11.57. http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/BAMS-D-11-00001.1. doi:10.1175/BAMS-D-11-00001.1
3. L.Cavaleri. 2009. Wave Modeling—Missing the Peaks. Journal of Physical Oceanography. Impact 2.871. http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/2009JPO4067.1 doi: 10.1175/2009JPO4067.1.
4. M.D. Powell. 2003. Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones. Nature. Impact 42.351. http://www.nature.com/nature/journal/v422/n6929/full/nature01481.html. doi: 10.1038/nature 01481.
5. Y.I. Troitskaya. Laboratory and theoretical modeling of air-sea momentum transfer under severe wind conditions Journal of Geophysical Research. Impact 3.440. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2011JC007778/pdf. doi:10.1029/2011JC007778.

4. Все экспериментальные результаты буду получены на уникальных установках с различным диапазоном возможностей, имеющихся в распоряжении организаций-партнеров проекта. При этом для достижения заявленных результатов необходимо проведение рабочих встреч, совещаний и командировок с целью осуществления совместных исследований в области взаимодействия на установках LASIF университета Экс-Марсель (Франция), Aeolotron Университета Гейдельберга (Германия) и ВВК БТСБ ИПФ РАН. Для разработки математической модели развития нелинейных поверхностных волн, модернизированной для условий, типичных для шторма и урагана необходимо взаимодействие с партнером из Кильского Университета (Великобритания), который будет принимать участие в разработке модели, обобщающая традиционную спектральную модель эволюции волнения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1.В ходе выполнения проекта будет создан комплекс программного обеспечения для определения параметров пограничных слоев океана и атмосферы по данным дистанционного (в том числе, космического) зондирования, на основе новых микроволновых технологий и новых физических представлений о взаимодействии атмосферы и океана при штормовом и ураганном ветре. Наличие такого нового инструмента для оценки и мониторинга опасных погодных явлений на море открывает возможности
1. для создания новых и информационных услуг,
2. для существенного повышения надежности прогнозов опасных явлений погоды в интересах повышения безопасности морской деятельности и качества жизни населения прибрежной зоны,
3. для проведения фундаментальных исследований климатической системы Земли.
4. для образовательных целей в ВУЗах, готовящих специалистов в области метеорологи, океанологии, радиофизики, географии.
Комплекс может быть непосредственно использован для оценки параметров пограничного слоя атмосферы и поверхностного волнения по данным микроволновых приборов на платформах, уже находящихся на орбите (Radarsat-2, Sentinel-1, ALOS PALSAR) и планируемых к запуску в ближайшее время (MetOp-SG).

2.Прямыми потребителями ожидаемых результатов являются российские и зарубежные Космические агентства (в частности Федеральное космическое агентство России, Британский национальный космический центр (Космическое агентство Великобритании), Европейское космическое агентство, Германский центр авиации и космонавтики, и.т.д.), отечественные и зарубежные компании, занимающиеся развитием добычи полезных ископаемых в прибрежной зоне, подразделения Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, а также научно-исследовательские институты как в России, так и за рубежом, занимающиеся дистанционной диагностикой поверхности океана и экспериментальным исследованием мелкомасшатабного взаимодействия океана и атмосферы (Институт океанологии РАН, Институт физики атмосферы РАН, Институт космических исследований РАН, ИРЭ РАН и.т.д.), потребители методических разработок являются ВУЗы по соответствующим специальностям (РГГМУ, МГУ (географический факультет), НГТУ, ННГУ, итд).

3.В связи с увеличением населения прибрежных районов, расширения освоения морского шельфа и морской торговли, риски, связанные со штормовой активностью, возрастают во всем мире, тем более в странах с обширными береговыми линиями, таких как Россия, страны Европейского Союза, Великобритания, Германия и Франция, Нидерланды, Скандинавские страны. В связи с глобальным изменением климата существует тенденция увеличения числа экстремальных штормов. Существует острая потребность в уточнении моделирования штормов с целью снижения рисков и разрушений, вызванных штормами и ураганами на суше, штормовых волн и штормовых нагонов. Эти цели могут быть достигнуты за счет за счет совершенствования прогнозных моделей с учетом новых физических представлений. Развитие таких моделей позволит также создать инструменты для фундаментальных исследований недостаточно изученных элементов климатической системы Земли. Комплекс может быть непосредственно использован для оценки параметров пограничного слоя атмосферы и поверхностного волнения по данным микроволновых приборов на платформах, уже находящихся на орбите (Radarsat-2, Sentinel-1, ALOS PALSAR) и планируемых к запуску в ближайшее время (MetOp-SG). Таким образом, условия для обеспечения социально-экономических эффектов от применения настоящего программного обеспечения существуют уже сейчас и будут расширяться в ближайшее время. В целом объединение исследовательского опыта, последних научных достижений и уникальной научной инфраструктуры Российских и Европейских участников проекта приведет к получению значимых научных результатов, созданию новых и эффективных методов и средств и информационных услуг для существенного повышения надежности прогнозов опасных явлений погоды в интересах повышения безопасности морской деятельности и качества жизни населения прибрежных территорий.

4.Масштабы междисциплинарной научной проблемы, связанной с взаимодействием границы воздух-вода при ураганных ветрах намного превышает возможности одной исследовательской группы или учреждения. Лучшим решением для значительного продвижения в решении данной научной проблемы является консорциум из тесно сотрудничающих научных групп. Результаты, полученные в рамках данного проекта в будущем могут быть положены в основу продолжительных совместных исследований с привлечением к сотрудничеству текущих и новых научных групп из иностранных и отечественных организаций, работающих в смежных и междисциплинарных областях. В рамках тесного сотрудничества будет происходить укрепление научно-исследовательского партнерства через обмен персоналом, выстраивание горизонтальных и вертикальных связей, подготовка молодых ученых научно-исследовательскими организациями из Европы и России, а также подготовка почвы для долгосрочного устойчивого научно исследовательского сотрудничества в этих областях исследований. Влияние планируемых результатов на развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры будет обеспечиваться сотрудничеством с иностранными партнерами, что должно повысить информированность рынка наукоемких и высокотехнологичных разработок продуктов, создаваемых с использованием результатов проекта.

Текущие результаты проекта:
Готовится обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей исследуемую научно-техническую проблему
Готовится отчет о патентных-исследованиях.
Проведена разработка конструкции элементов экспериментального образца доплеровского скаттерометра Х-диапазона, работающего на прямой и перекрестной поляризации (антенной системы, СВЧ тракта, НЧ блока). Готовится отчет о проводимом научном исследовании.