Нерезонансные и поляризационные эффекты при микроволновом зондировании водной поверхности

• Автор: Чурюмов, Антон Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 70 с. : ил.

Глава 1. РАССЕЯНИЕ НА КРУТЫХ ВОАНАХ
1.1. Особенности резонансного механизма
1.2. Экспериментальные указания на существование и природу нерезонансного рассеяния
1.3. Модель нерезонансного рассеяния
1.3.1. Коэффициенты дифракции
1.3.2. Оценки сечения рассеяния
1.4. Выводы к главе
Глава 2. ВКЛАД КРУТЫХ ВОЛН В ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ОКЕАНА
2.1. Общие принципы расчета инт енсивности теплового излучения
2.2. Известные механизмы формирования теплового излучения океана
2.2.1. Тепловое излучение гладких поверхностей
2.2.2. Резонансный механизм (критические явления)
2.3. Влияние крутых неровностей на яркостную температуру поверхности океана
2.3.1. Дифракция и поглощение электромагнитных воли на крутых заостренных волнах
2.3.2. Упрощенная трехмерная модель: тепловое излучение наклоненных площадок
2.4. Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Литература

Радиолокационные исследования поверхности океана представляют собой наиболее быстрый и дешевый способ получения информации о состоянии морской поверхности. В отличие от контактных и оптических методов, радиолокация позволяет получать данные о состоянии океана сразу с обширных территорий, независимо от освещенности и облачного покрытия. Дистанционное зондирование доставляет информацию о состоянии поверхности океана, что позволяет судить о внутриокеанических и атмосферных процессах, так как поверхность океана чрезвычайно чувствительна к любым движениям как в приводном слое атмосферы, так и внутри океана. В частности, дистанционные измерения позволяют получать информацию о поверхностных гравитационных волнах, о внутренних гравитационных волнах в океане и атмосфере, о конвективных движениях в атмосфере. Взаимодействие океана и атмосферы и процессы, протекающие на их границе, оказывают решающее влияние на изменения погоды и климата, а знание этих процессов, достигаемое путем постоянного радиолокационного зондирования, позволяет предсказывать развитие погоды и климата.
В отличие от контактных измерений, которые дают непосредственную информацию о состоянии пограничного слоя океан—атмосфера, при дистанционных исследованиях морской поверхности существует проблема интерпретации получаемых радиолокационных и радиометрических данных. Для этого необходимо знать закономерности рассеяния радиоволн на морской поверхности и теплового излучения поверхности океана в зависимости от состояния границы раздела океан—атмосфера, т.е. от ее геометрических особенностей: интенсивности и распределения ряби, крутизны и направления движения крупных волн, наличия и плотности обрушений и т. д.
В течение продолжительного времени для интерпретации данных радиолокационного зондирования использовался резонансный брэгговский механизм рассеяния радиоволн, который принимает во внимание только рассеяние на мелкомасштабных неровностях морской поверхности (ряби), длина волны которых сравнима с длиной волны зондирующего сигнала, а высота значительно меньше длины электромагнитной волны. Резонансный механизм рассеяния позволяет

адекватно интерпретировать данные дистанционного зондирования при умеренных углах зондирования.
Однако при настильных углах зондирования появляются значительные отличия между данными наблюдений и предсказаниями брэгговской теории, особенно заметные на горизонтальной поляризации зондирующего излучения. Причем эти отличия имеют отнюдь не только количественный характер (обратно рассеянный сигнал на горизонтальной поляризации оказывается значительно больше, чем предсказывает резонансная теория). Часто наблюдаются качественные отличия, которые принципиально не объяснимы брэгговским механизмом, например, иногда наблюдаются резкие всплески обратно рассеянного сигнала, а также события, когда обратное рассеяние на горизонтальной поляризации оказывается интенсивнее, чем на вертикальной поляризации. Поэтому для более полного описания рассеяния радиоволн на морской поверхности необходимо рассматривать также нерезонансные механизмы рассеяния, связанные с рассеянием на крутых и немалых неровностях. Рассеяние на таких неровностях не охватывается резонансной теорией и требует разработки методов описания рассеяния радиоволн на обрушениях.
Вклад крутых обрушающихся волн необходимо принимать во внимание также и при интерпретации радиометрических наблюдений, поэтому следует рассмотреть тепловое излучение обрушающихся волн и оценить его влияние на наблюдаемую радиояркостную температуру океана.
Перечисленные выше проблемы являются предметом исследования данной диссертационной работы, что и определяет ее актуальность.
Основная цель работы состоит в исследовании нерезонансных и поляризационных особенностей рассеяния и теплового излучения морской поверхности при настильных углах наблюдения.
Достижение этой цели потребовало выполнения широкого круга исследований, которые включали в себя:
1) анализ экспериментальных данных по обратному рассеянию радиоволн на настильных углах наблюдения и выявление основного источника дополнительного рассеяния (крутые волны мезомасштабного спектра), не учтенного стандартной двухмасштабной моделью; в сущности речь идет о разработке трехмасштабной модели поверхностного волнения, отличающейся от стан-

излучения поверхности вычисляется путем статистического усреднения локальных коэффициентов отражения по распределению уклонов плоских площадок
ки,у (в,ф)=~ с!уу с1ухЯкХвУ р(ух,Уу),
-соЮ
где в — локальный угол падения, а модифицированная плотность вероятности распределения уклонов р{ух,Уу) записывается с учетом углового множителя и
функции затенения <2(ух,д) в виде [42]
рЬу(*+
Здесь р(ух,уу) — распределение уклонов при наблюдении в надир. В качестве функции р[Ух,Уу) обычно используется распределение Гаусса с дисперсиями,
зависящими от скорости и направления ветра [43]. Последнее обусловливает угловую анизотропию теплового излучения крупномасштабных неровностей.
Более точные оценки вклада крупных волн в радиояркостный контраст осуществляются в рамках двухмасштабной модели [44], в которой учитываются не только уклоны крупных волн, но и находящаяся на их поверхности рябь. При этом для расчетов удобнее использовать формулу Пика (24), в которой сечение рассеяния а{в,ф,в8,фх) учитывает как вклад крупномасштабной составляющей, так и вклад мелкомасштабной составляющей в первом порядке теории возмущений.
Приращение яркостной температуры, вызванное уклонами крупных волн (с учетом ряби) составляет несколько Кельвинов и зависит от азимутального угла между направлением наблюдения и направлением распространения волн. Очевидно, этот механизм формирования яркостных контрастов нерезонансный по своей природе.
2.2.2. Резонансный механизм (критические явления)
Однако нерезонансный механизм далеко не полностью объясняет наблюдаемую анизотропию теплового излучения. Оказалось, что азимутальная зависимость микроволнового излучения океана обусловлена не только вариациями уклонов крупномасштабной компоненты волнения (нерезонансный механизм), но также и резонансными эффектами, возникающими при определенном соотноше-