Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0059

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0059
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук"
Название доклада
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
Докладчик
Байдаков Георгий Алексеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.

Для достижения поставленной цели был создан прототип комплекса программного обеспечения для определения параметров пограничных слоев океана и атмосферы по данным дистанционного (в том числе, космического) зондирования. Создание такого комплекса потребовало решения ряда тесно связанных друг с другом задач:
I. разработка методик для восстановления параметров приводного слоя атмосферы при штормовых и ураганных условиях по данным микроволнового зондирования
II. теоретические и экспериментальные исследования для получения новых представлений о физических процессах в пограничных слоях и разработка методик для определения турбулентных потоков в приводном слое атмосферы в зависимости скорости ветра при штормовых и ураганных условиях
III. создание программных продуктов для определения параметров пограничных слоев океана и атмосферы при штормовых и ураганных ветрах по данным дистанционного (в том числе, космического) зондирования
Актуальность и новизна исследования
Предпочтительные современные методы метеорологического мониторинга в оперативной практике прогноза погоды связаны с использованием спутникового дистанционного зондирования, в том числе методов микроволновой диагностики. 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. Особый интерес в последнее время вызывает технология измерения скорости приводного ветра, основанная на приеме рассеянного сигнала на перекрестной поляризации. В настоящий момент использовать данную методику позволяют данные спутников, оборудованных радиолокаторами с синтезированной апертурой (РСА), такие как Radarsat, Sentinel, TerraSAR и ряд других. Кроме этого, в 2020 г. планируются к запуску метеорологические спутники нового поколения (MetOp-SG), оснащенные скаттерометром, принимающий в том числе и сигнал, рассеянный поверхностью моря на перекрестной поляризации.
При использовании современных моделей 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. Уточнение моделей турбулентного обмена между океаном и атмосферой при штормовых и ураганных условиях позволяет создать новый инструмент и для фундаментальных исследований климатической системы Земли.
Описание исследования

Ключевым параметром, определяющим динамику и процессы обмена в пограничном слое атмосферы, является скорость приводного ветра, поэтому, прежде всего, была выбрана методика ее оценки при штормовых и ураганных условиях по данным дистанционного зондирования. Особое внимание уделялось перспективным методам, основанным на рассеянии радиоволн на перекрестной поляризации, для которого отсутствует эффект насыщения сечения рассеяния при ураганных ветрах.
Для оценки турбулентных потоков при штормовых и ураганных условиях использовались «балк»-формулы (параметрические зависимости), для применения которых необходима информация о распределении скорости ветра, относительной влажности воздуха в приводном слое атмосферы и температуры поверхности океана. На основании литературных источников были выбраны базы данных спутниковой информации и алгоритмы восстановления «балковых» параметров атмосферы, необходимых для расчета турбулентных потоков. Модели коэффициентов турбулентного обмена были развиты в рамках настоящего проекта.
Для проведения экспериментальных исследований  по рассеянию микроволнового излучения на поверхности воды на новой элементной базе был разработан и изготовлен экспериментальный образец (ЭО) доплеровского скаттерометра X-диапазона (длина волны 3.2 см), который позволил провести измерения как на соосной (вертикальной и горизонтальной), так и на перекрестной поляризациях.
С использованием разработанного ЭО скаттерометра на Высокоскоростном ветро-волновом канале (ВВК) Большого термостратифицированного бассейна (БТСБ) ИПФ РАН были проведены измерения характеристик обратного рассеяния микроволнового излучения на поверхности воды на прямой и перекрестной поляризациях при ураганном ветре до 40 м/с. Исследования сопровождались контактными измерениями параметров волнения и характеристик воздушного потока.
На основе анализа результатов эксперимента исследована зависимость удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) поверхности воды на прямой и перекрестной поляризации при различных углах визирования от эквивалентной скорости ветра. Получено обобщение геофизической модельной функции (ГМФ) на случай ураганных ветров.
Была предложена новая методика определения скорости ветра по данным радиолокационного зондирования. В отличие от широко известных алгоритмов CMOD4, CMOD5 (С-диапазона), XMOD-1, XMOD-2 (Х-диапазона) алгоритм использует данные об обратном рассеянии микроволнового излучения, полученные на перекрестной поляризации, и применим к расширенному интервалу скоростей ветра (до 40 м/с вместо 20 м/с).
Были выполнены измерения скорости воздушного потока над волнами с помощью контактных методов и специально модифицированного метода оптической анемометрии по изображениям частиц DPIV на ВВК БТСБ и на крупнейшем ветро-волновом канале LASIF группой из Университета Экс- Марселя (MU).
Для изучения механизмов генерации брызг при сильном ветре была впервые использована многоракурсная скоростная видеосъемка со специальными системами подсветки на ВВК БТСБ. На основе анализа видеоизображений была получена качественная информация (классификация физических процессов образования капель) и количественные данные (зависимость их числа от скорости ветра и параметров волнения).
Эксперименты по исследованию газообмена при сильном ветре с учетом состояния поверхности моря (волнение, пена, брызги) и влияния растворимости газов были выполнены группой Университета Гейдельберга (UH) на кольцевом канале AEOLOTRON  и на высокоскоростном ветровом канале Университета Киото (Япония). Для измерения характеристик массопереноса, были использованы оригинальные физико-химические методики.
На основе обобщения экспериментальных данных полученных на AEOLOTRON группой UH была разработана эмпирическая модель коротковолновой части спектра гравитационно- капиллярных поверхностных волн в широком диапазоне скоростей ветра на, определяющей процессы рассеяния электромагнитных волн морской поверхностью.
Отличие разработанного программного обеспечения для оценки поля скорости приводного ветра поля турбулентного потока импульса по радиолокационным изображениям поверхности океана на перекрестной поляризации от аналогичных современных продуктов, использующих алгоритм COARE 3.0, разработанный для скоростей ветра до 20 м/с, связано с использованием новой модели коэффициента обмена и нового метода восстановления скорости приводного ветра, применимых вплоть до ураганных ветров до 40 м/с.

Результаты исследования

В ходе выполнения проекта были получены следующие научно-технические результаты.
Создан экспериментальный образец скаттерометра для изучения рассеяния микроволнового излучения на поверхности воды на прямой и перекрестной поляризации.

Проведены экспериментальные исследования, на основании результатов которых:

- Разработана методика для восстановления скорости ветра по измерению деполяризации микроволнового излучения, рассеянного морской поверхностью.
- Разработана методика расчета коэффициента сопротивления (потока импульса), по полученной параметрической зависимости от скорости ветра, с учетом обрушения поверхностных волн, брызг в приводном слое атмосферы.
- Предложена модель генерации брызг при ураганном ветре, основанная на новых физических представлениях.
- Предложена модель газообмена при сильном ветре с учетом состояния поверхности моря (волнение, брызги) и влияния растворимости газов, а также разработана методика расчета турбулентного потока диоксида углерода, по полученной параметрической зависимости от скорости ветра.
Разработана математическая модель развития нелинейных поверхностных волн, модернизированная для условий, типичных для шторма и урагана.
Предложена эмпирическая модель коротковолновой части спектра гравитационно-капиллярных поверхностных волн в широком диапазоне скоростей ветра.
Создан прототип программного комплекса с интерфейсом для определения параметров пограничных слоев океана и атмосферы при урагане по данным дистанционного зондирования. В состав комплекса входят программные коды, реализующие численные оценки:

а) поля скорости приводного ветра по радиолокационным изображениям поверхности океана на перекрестной поляризации, применимый для штормовых и ураганных условий.
б) поля турбулентного потока импульса по изображению поверхности океана на перекрестной поляризации, применимое для штормовых и ураганных условий.
в) поля турбулентного потока двуокиси углерода тепла по данным микроволнового зондирования поверхности океана, применимое для штормовых и ураганных условий.

Практическая значимость исследования
Созданный комплекс программного обеспечения для определения параметров пограничных слоев океана и атмосферы по данным дистанционного зондирования, на основе новых микроволновых технологий и новых физических представлений о взаимодействии атмосферы и океана при штормовом и ураганном ветре открывает возможности для
1) создания новых и информационных услуг,
2) существенного повышения надежности прогнозов опасных явлений погоды в интересах повышения безопасности морской деятельности и качества жизни населения прибрежной зоны,
3) проведения фундаментальных исследований климатической системы Земли,
4) образовательных целей в ВУЗах, готовящих специалистов в области метеорологи, океанологии, радиофизики, географии.
Использование новых алгоритмов для восстановления скорости ураганного ветра, а также новых моделей турбулентных потоков, новых моделей ветровой накачки при моделировании волнения позволит повысить качество оценок параметров приводного слоя атмосферы и характеристик поверхностного волнения, что в конечном итоге будет способствовать повышению безопасности морской деятельности и качества жизни населения прибрежной зоны.
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).
Прямыми потребителями результатов являются российские и зарубежные космические агентства (Федеральное космическое агентство России, Британский национальный космический центр, Европейское космическое агентство, Германский центр авиации и космонавтики, и др.), 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 (ИО РАН, ИФА РАН, ИКИ РАН, ИРЭ РАН и т.д.), потребители методических разработок являются ВУЗы по соответствующим специальностям (РГГМУ, МГУ, НГТУ, ННГУ, и т.д.).