Радиофизические методы диагностики процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера с аэрокосмических носителей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Академия наук УССР Ордена Трудового Красного Знамени Институт радиофизики и электроники

На правах рукописи

Величко Сергей Анатольевич

УДК 621.398:551.46

РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДУ ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ ОКЕАН-АТМОСФЕРА С АЭРОКОСМИЧЕСКИХ НХИТЕЛЕЙ

(O1.04.G3 - радиофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Харьков 1891

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Зншеш: Институте радиофизики и электроники АН УССР

Научный руководитель доктор физико-математических наук

старший научный сотрудник КШЫКОВ Анатолий Иванович_______

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук

Ведущая организация - ИП<5 АН СССР { г. Нижний Новгород )

на заседании Специализированного совета Д 016,64.61 при Институте радиофизики и электроники АН УССР (310085, Харьков 85, ул. Академика Прсскуры, д.12, конференц-зал )

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИРЭ АН УССР.

профессор Коротаев Геннадий Константинович ( МГИ АН УССР , г.Севастополь )

- доктор физико-математических наук профессор Фукс Иосиф Моисеевич ( РЙАН УССР , г.Харьков )

Защита состоится

199 г. в 15 часов

Автореферат разослан

И I»

189 г.

Ученый секретарь специализированного совете

К.А.Лукин

ОЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

¿Актуальность тэш. Задачи исследования природной среды Земли в последнее время приобретают все большее значение как для изучения геофизических процессов, так я для непосредственного обеспечения жизнедеятельности человека. Одним из наиболее перспективных и интенсивно развивающихся направлений в этой области является дистанционное зондирование поверхности Земли (океана) радиофизическими, средствами с аэрокосмических носителей.

Среди наиболее актуальных научных задач в области радиофизического дистанционного зондирования поверхности океана можно отметить следующие: создание и совершенствование моделей рассеяния (излучения) радиоволн на границе раздела океан-атмосфера, разработка методов на основе этих моделей для определения параметров ветрового поверхностного волнения, скорости ветра вблизи поверхности, направленных свойств спектров морского волнения, параметров обмена в системе океан-атмосфера и т.д. Следует отметить, что успехи и перспективы в использовании радиофизической информации для исследования поверхности океана объясняются превде всего тем, что ¡з течении более чем 40-летнего периода проводилось интенсивное изучение процессов рассеяния и излучения радиоволн поверхностью .моря. Первые обобщения природа рассеяния относятся еще к 50-60 годам , впоследствии были сформулированы квазизеркальная (кирхгофов-ская) модель отражений радиоволн поверхностью моря, описан принцип избирательного рассеяния радиоволн (метод малых возмущений); последняя модель была модифицирована и названа двухмасштабной моделью рассеяния. Кроме того, в период 60-80-х годов была создана обширная база экспериментальных данных по рассеянию радиоволн для всевозможных условий наблюдения (углов падения), для различных диапазонов радиоволн (от миллиметровых до декаметровых), поляризаций излучения и приема, и т.п.

С другой стороны, интенсивное развитие радиофизических методов дистанционного зондирования поверхности океана в последнее время стало возможным благодаря технической реализации радиолокационных систем на космических платформах, что резко увеличило круг решаемых задач и их научное и прикладное значение. Среди основных реализованных проектов можно отметить : скаттерометр и радиолокатор с синтезированием апертуры (РСА) спутника Seasat (1978), радиолокатор бокового обзора (РБО) серии ИСЗ "Космос-150®"/"Океан"

(1983-1991), РСА серии SIR Shuttle , РСА ИСЗ "Космос-1870", наконец в настоящее время разрабатываются проекты к готовятся к запуску европейские (проект ERS-1), канадские (проект RADARSAT), и дру-кие радиофизические системы зондирования океана из космоса. Парал-^ лельное либо опережающее использование аналогичных радиофизических самолетных систем, обычно связано как с решением задач локального мониторинга, так и с отработкой перспективных космических средств.

Для успешного исследования поверхности океана, явлений взаимодействия в системе океан-атмосфера с использованием радиофизических средств ( в т.ч. радиолокационных) возникает необходимость в исследовании характеристик процессов рассеяния радиоволн, связанных с пространственной и временной изменчивость» ветровых полей над поверхностью океана (определяющих состояние самой поверхности), поверхностных волн, зон сликов (подавления волнения), прочих эффектов. Следует указать, что использование ставшей классической модели избирательного рассеяния волн, как правило, ограничивалось случаями описания рассеяния в присутствии так называемого полностью развитого (стационарного) поверхностного волнения.

Основная направленность предложенных исследований состоит в установлении связи характеристик рассеяния с параметрами конкретных явлений на поверхности океана - например, для идентификации систем ветровых волн, либо систем волн зыби, распознавания сликов как эффектов проявлений внутренних волн различной природы, обнаружение зон поверхностных загрязнений, оценка параметров атмосферных процессов по их проявлениям на поверхности и т.д..

Исследования, представленные в диссертации, проведены в рамках НИР "Карта" - "Теоретические и экспериментальные исследования явлений радиолокационных отраяений и радяотепловых излучений поверхность» океана и ледовыми покровами с аэрокосмических носителей" (N гос.регистрации С1.816.014.429), выполненной в ИРЭ АН УССР в соответствии с постановлением Президиума АН УССР от 25.12.80 N 604.

Целью диссертационной работы является установление физических закономерностей, определяющих взаимосвязь пространственно-временных вариаций радиоволн СВЧ-диапазона, рассеянных поверхностьо моря, с пространственно-временной изменчивостью процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера, а также разработка методов анализа радиолокационной информации систем дистанционного зондирования для диагностики состояния и определения параметров поверх-

- 5 -

ности океана и приводного слоя атмосферы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что экспериментально и путем численных расчетов определены механизмы формирования азимутальных пространственных зависимостей интенсивности рассеяния радиоволн в СВЧ-диапазоне при зондировании систем поверхностного многокодового (смешанного) волнения; исследована взаимосвязь пространственного изменения интенсивности рассеянных поверхностью моря радиоволн в областях развивающегося волнения; разработаны методики восстановления направления и интенсивности ветровых потоков над поверхностью океана, реализуете для радиоизображений аэрокосмических систем, работающих в реальном масштабе времени; исследована возиояность определения параметров ветровых полей, коэффициентов обмена тепла, импульса, влаги, оценки направления перемещения для вихревых мезомасштабных структур типа вихрей, ураганов на основании анализа аэрокосмической радиолокационной информации.

Практическая значимость. На основании результатов, полученных в диссертационной работе, созданы методики восстановления параметров полей скорости ветра над океаном, динамики атмосферы в приводном слое. Эта информация может использоваться как для совершенствования моделей климата, так и для оперативных метеорологических прогнозов. В последнем случае весьма существенным является то, что информация систем типа РБО "Космос-150в"/"Океан", включая ее обработку по предложенным методикам, монет поступать потребителям практически в реальном масштабе времени. Следует отметить практическую ценность оперативной информации о поле ветра, мощности, направлении эволюции атмосферных процессов типа тропических ураганов, что моает снизить материальные потери за счет своевременного предупреждения (среднегодовой ущерб от ураганов только по побережью США -- 100 млн.д.).

Наконец, все большую практическую ценность приобретают проблемы экологического контроля за загрязнениями на поверхности моря (типа разливов нефтепродуктов).

Основные результаты работы, положения, выводы и рекомендации, выносимые на защиту :

1. Исследованы зависимости удельной эффективной поверхности рассеяния (УЗПР) для морской поверхности в СБЧ диапазоне длин радиоволн при использовании в рамках двухыасштабной модели рассеяния

неравновесной формы коротковолновой части спектра ветрового волнения с учетом смещения границы разделения полного спектра на крупно-и маломасаггабнус частя. Показано, что полученные таким образом зависимости дисперсий углов наклонов крупных волн и зависимости УЭПР от скорости ветра при зондировании на вертикальных углах достаточно точно описывают экспериментальные данные.

2. Экспериментально и путем численного моделирования исследованы вариации пространственных азимутальных радиолокационных зависимостей УЭПР в СВЧ диапазоне при углах зондирования, отличных от надарных и скользящих. В результате показано, что механизм формирования многоходовых азимутальных радиолокационных зависимостей в присутствия смешанных систем поверхностного волнения связан с одновременным наличием анизотропных коротковолновых поверхностных рас-сеивателей и максимального эффективного угла наклона систем крупных волн.

3. Установлены возможности диагностики процессов развития (затухания) поверхностного волнения по результатам наблюдений аэрокосмических радиолокационных систем. Определена взаимосвязь градиентов изменения интенсивности радиолокационных отражений при зондировании зон развивающегося в пространстве поверхностного волнения с различными инерционными свойствами развития коротковолновой и длинноволновой частей спектра ветровых волн.

4. Разработаны методики обработки информации аэрокосмических радиолокационных систем, позволяющие определять параметры ветровых потоков вблизи поверхности как для квазистационарных ветровых полей, так и для динамичных мезомасвтабных явлений взаимодействия в системе океан-атмосфера (типа циклонов, ураганов, вихрей). Для последних показаны возможности определения коэффициентов обмена тепла, импульса, влаги на границе океан-атмосфера.

Обоснованность и достоверность. Расчеты параметров рассеяния для диагностики различных состояний поверхности океана проводились в рамках апробированных общих представлений о природе взаимодействия рвдиоволн СВЧ=диапазона с морской поверхность» и общепризнанных моделей. В исследованиях применялись описания статистических, спектральных характеристик реальных систем поверхностного волнения, полученных в основном эмпирическим путем. Найденные зависимости для параметров рассеяния подтверждены экспериментальными данными и успешно использованы при интерпретации и обработке радиофизической

информации самолетного радиолокационного комплекса, а также РБО типа "Космос-1500"/"Океан". Полученные данные о полях скорости ветра над океаном, динамики атмосферы в приводном слое согласуются с положениями физики атмосферы и океана, моделей климата, данными контактных измерений in situ.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных дистанционного зондирования (Рига, 1986), Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1887), 3 Съезде советских океанологов (Ленинград, 1987), 8 Международной школе по микроволновой физике и технике (Варна, 1889), 3-Я Всесоюзной школе-семинаре "Методы гидрофизических исследований" (Светлогорск, 1889), 2-й Дальневосточном рабочем совещании по природным катастрофам (Ож-но-Сахалинск, 1990), 23 Генеральной ассамблее международного радиосоюза (URSI) (Прага, 1990), а также обсуждались на научных семинарах Морского гидрофизического института АН УССР (Севастополь), Главной геофизической обсерватории им. Воейкова (Ленинград), Института прикладной физики АН СССР (Нижний Новгород), ИРЭ АН УССР.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах, перечисленных в автореферате.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, Tpéx глав, заключения, приложений и содержит 83 страницы основного текста, 45 рисунков иа 36 страницах, список литературы из 102 наименований на 13 страницах и 3 приложений иа 4 страницах. Общий объем работы 135 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертации, обоснована актуальность исследований, сформулированы цель работы, практическая значимость, достоверность полученных результататов. Приведены основные ре8ультататы, положения, вывода и рекомендации, выносимые на защиту.

В первой главе "Особенности теоретического описания процессов рассеяния радиоволн морской поверхностью" проводится исследование современных модельных описаний процессов рассеяния радиоволн морской поверхностью с учетом реальных (эмпирических) спектров поверхностного волнения. Приведены основные соотношения метода Кирхгофа,

избирательной и двухыасштабной моделей рассеяния. Для расчетов в основном использовалась зависимость избирательной модели рассеяния [F.G.Buss, I.M.Fuks, A.I.Kalmykov, IEEE Trans., AP-16, 1968] :

(5° = ifiir^ Ffpo>p,

где <j° -УЭПР, -t = ¿4Г /X .... - волновое число электромагнитной волны длины X , F - функция р„,р - поляризации падающей и рассеянной волны, направлений падения и рассеяния ct,j=i , локальной нормали п к поверхности в точке рассения, £ - диэлектрической проницаемости рассеивающей поверхности; «Si^Wj- спектр поверхностного волнения в точке эг =2{т /Л - резонансной гармоники_поверх-ностн, параметрически зависящий от вектора скорости ветра W вблизи поверхности. В качестве описания коротковолновой части спектра волнения применялся неравновесный спектр Mitsuyasu-Konda вида :

. £1'

где p = W^. , W^ - "скорость трения" (скорость ветра на уровне шероховатости поверхности). Последнее вместе с описанием полного спектра волнения (включая гравитационную часть) как "кусочной" аппроксимации позволило рассчитать зависимости от скорости ветра A,W) - волнового числа разделения спектра на крупно- и мало-шсштабную части относительно А . Критерием разделения служили ограничения двухмаситабной модели рассеяния для крупномасштабной поверхности: (dR)'5^ i , где Й. - радиус кривизны поверхности в точке рассеяния, и для малоыасатабксй (вероховатой) поверхности : (йК')1 <С 1 . где К' - дисперсия возвышений. С учетом полученных зависшзстей эг^С^ОМ) рассчитаны дисперсии углов наклонов крупных волн - •

0 -ч/г

как функции длины волны облучения и скорости ветра. Показано, что учет смещения границы разделения спектра поверхностного волнения (при использовании двухмаситабной модели рассеяния) позволяет более точно определить дисперсии углов наклонов крупномасштабной поверхности - удовлетворительно согласуются с общепризнанными экспериментальными данными (Сох, Munk), и в результате определить величины УЭПР для случая надирного эондированкя в рамках метода Кирхгофа.

. Кроме того, в первой главе приведены описания эмпирических

спектров поверхностного волненяя, упитывасар?« случаи развития (затухания) ветрового волнения, угловые распределения энергия волн для случаев стационарного и развивающегося волнения, описания спектров зыбя и смешанного (нногошдового) волнения [В.Е.Наззе1тап, 1973; И.М.Давидая, 1985] . Приведенные соотношения совместно с анализом особенностей применения иэтода Кирхгофа, избирательного рассеяния а даухиаситабаой моделя рассеяния радиоволн норской поверхность» позволяют сделать зьтод о возшшостп решения задачи радиолокационного исследования процессов развития эффектов взаимодействия в системе океан-атмосфера.

Проведенные расчеты показывают, что параметры рассеянных радиоволн в модели избирательного рассеяния и двухмаситабной модели могут быть определены с учетоа данных о развитии спектра волнения уае на этапе разделения спектра волновых чисел поверхности (относительно длины радиоволны) на крушоыаситабную к маломасштабную части как функции скорости вегра. Использование зависимостей констант разделения спектра позволяет получить функцни дисперсий возвышения для калонасштабиой части, спектра поверхности и дисперсий среднеквадратичного угла наклона для крупномасштабной поверхности, удовлетворительно согласующиеся с данншга экспериментов, что подтверждает корректность выбранного подхода я использования выбранной модели спектра волновых чисел МНзиуази-НопсЗа. Полученные соотношения позволили построить скорректированные зависимости удельной эффективной поверхности рассеяния от скорости ветра при 0-0 (где @ - угол падения), что козет быть использовано при интерпретации результатов радиолокационного зондирования при надирнои зондирования (радаовысотомерные системы). Кроме того, результаты расчетов в дальнейшем долзны быть учтены при описания параметров радиолокационном отражений при исследованиях зон нестационарности, описываемых в основном параметрами поверхностных возвышений и распределениями углов наклонов крупномасштабной поверхности.

Во второй главе "Основные методы определения параметров морокой поверхности по данным дистанционного зондирования" проведен анализ особенностей возникновения азимутального радиолокационного контраста пря наблюдениях зон стационарного ветрового и смешанного (шогомодового) волнения. С использованием двухмаситабной модели рассеяния построены зависимости УЭПР •6*(Кв,ч>) для X = 3 см , азимутальных радиолокационных контрастов КМ 9) , (определяемых как

разность УЭПР ври зондировании в направлений по/поперек вактора V/ : К ^ как функций скорости ветра и угла падения 0..

В последней случае для расчета К (9) в пределах углов падения 0'<; б <40° применена "самка" зависимостей , получаемых в

методе Кирхгофа и кетоде избирательного рассеяния. Для учета влияния крупных волн использована полученные выие завкслностн дисперсий

______углов наклонов крупных еоян Р , = . Приведены резуль-

тага экспериментов по намерениям азимутальных радиолокационных контрастов при поыощи радиофизического ко&шекса самолета-лаборатории. Установлено, что при средних углах падения ( 9 20% 69°), используемых в системах аэрокосшческого зондирования, получаемые экспериментально величина азимутальных радиолокационных контрастов не могут быть объяснены прн использовании классического представлеккя об угловой изотропия рассеивающей коротковолновой ряби. Предложена модельная функция азимутальной анизотропии ряби, рассчитаны модельные функции углового распределения соответствующие сантиметровых поверхностных волн. Последа® позволяет интерпретировать как упомянутые выаю контрасты для установнвгэгося ветрового волнения, так и иеханизн формирования азимутальных радиолокационных зависимостей при наблюдении сшзаншх скетеы Т1ша ветровое волнение + зыбь, который заключается в одновременном учете анизотропных свойств рассеивающей ряби и скстеиы гравитационных волн.

Приведен анализ результатов самолетных экспериментов, прово-дившхея для исследования характера зависимости азимутального радиолокационного контраста от скорости ветра V/ пря средних углах падения . Для этой ее цели разработана н реализована иэтодика измерения азимутальных радиолокационных зависимостей да большое скоростей ветра, основанная на обработка кольцевых сечений радиолокационных космических нзобрагенкй мощных вшфевьа структур.

В результате численно рассчитаны базовые соотношения для УЭПР при радиолокационном зондировании поверхности моря в реетие бокового обзора для различных углов падения, азимутальных углов, поляризаций для диапазона длин радиоволн X =» 3 см и зондирования ква-* внетацаонарных систем ветрового волнения.

Экспериментально и на основания численных расчетов показаны воздааноота исследования данашкн поверхностного воянекня (зон "раз-гоноа"). Экспериментальные данше были получены при пошза РБО 3 си диапазона саколета-яабораторнн го вршя ЕследованиМ, проводшашхея

- И -

в районе Курильских островов - естественной зоне вэтросих ¡г волновых затенений. Как было установлено, основной закономерность» нзма-аенкя УЭПР является больяой градиент лб'(Ч) в начальной области иа-шх разгонов ( 30 км < Ц < 90 км ), и существенно меньший градиент в области больиих разгонов ( 9Э км < Й < 200 км ). Откечзн-гае закономерности объясняются с позади динамики развития спектра зетрового волнения в области ряби я в области !срупкых граЕйтацнон-1ых волн. Для интерпретации экспериментальных результатов проязвз-цен расчет зависимостей с учетои параметрического описания

:пектра развивающегося волнения Й(зг, й) . При этом было выделено злкяние развития длинных гравитационных волн при фиксированном фовне 'спектральной энергии рассеивавшей ряби. Рассчитанное таким збразом изменение достаточно хорошо корреллирует с экспери-

ментальной зависимостью 6" (й.) в области больших разгонов, а раз-юсгь приращений в экспериментальных данных и расчетной ззви-¡шости соответствует изменению УЭПР за счзт развития спектра ряби.

Описанный метод определения дагаыяки волнения а радаодокавдоя-юн дастацнонном зондировании океана позволяет разработать градаеи-гные методы поиска зон неустановившегося волнения, и , таким обра-юм, повышения точности определения скорости ветра радколокациоя-ш способом для зон реального ветрового волнения.

Предложены методы восстановления параметров поля ветра вблизи юзерхности океана (по данный азрокосмическнх систем РБО) в части гпределения направления ветрового потока на основании ксследоваяых ¡еханизмов образования азимутальных зависимостей.

Особенности формирования отражений и характерные масптабн про-транственной и временной изменчивости исследуемых явлений в окоеме океан-атмосфера позволили сформулировать основные требования : системам РБО аэрокосмического базирования.

В третьей главе "Исследование взаимодействия в систене охеан-шосфэра по данным радиолокационных систем бокового обзора" пред-огекы примеры конкретных реализаций исследования явлений мезекасз-абного взаимодействия в системе океан-атмосфера (системы конвек-'ли, кезомасптабные вихря, тропические урагана).

Приводится описание серя экспериментов, проводившихся на базе ВО самолета-дабораторкн над акваториямя Охотского норя, Севзро-за-адной части Тихого океана, Баренцева норя.

На основания экспериментальных данных - радиолокационных изо-

бразеяай РБО сашлега-лабораторкн, определены распределения УЭПР и скорости приводного ветра иезоьас&габкого вихря. В качестве метода определения поля направлен*;! скорости ветра использовалось задание вихрс-БоС ( спиральной ) структуры ветрового потока. Приведены рассчятаипыэ величины : скорости внешнего (фонового) потока ветра > 1© т- 12 кс'\ диапазон ~изменения скорости вэгра внутри вихревой структуры - от 4 т Б ысч до 15 -г 17 мс"1 , пространственные масштаба активной части вихря 10 т 12 кы (область повьшгкной скорости ветра), радаре "глаза" вкхря (центральной невозмущенная часть) 2 г 3 га ; характер:«;!! размер наблюдаемой визуально спиральной облачной структуры ~ 3€ ки. Приведено синхронное оптическое изображение исследуемого вихря, подученное космической системой.

Анализ эмпирических соотношений, связывающих скорость ветра н параметра обмена в система океан-аттсфора - в частности, коэффициенты обмена тепла, влаги, импульса, - показал, что возможна оценка шзванша параметров обмена на основании данных о распределения скорости ветра вблизи поверхности. Для исследуемого ыезошш-габного зяхря рассчитано распределение коэффициента обмена тепла ( Си ), ас учете« касщяхся данных контактных нзаэреня! по температура поверхности шря и температуре воздуха - величины потоков явного тепла И . Рассчитано распределение параметров обмена тепла по области вихря (активной части) и на его периферии, оценены абсолютные значения потоков тепла для области каксктяьиой скорости ветра: -V 283 Да-«1.

Решение еадач исследования процессов взаимодействия в система охеан-атеосфера при шжоца систеа РБО космического базирования (типа "Коскос-150®"/"(кеан") проводилось достаточно успешно благодаря уникальной возможности синхронного наблюдения атмосферных структур - средствами оятнкв, и их проявлений на поверхности океана - при поиощк радиолокатора бокового обзора, работоадаго в реальном шеатебе щяжии. Использование опыта наблюдения структур обяач-носта над поверхностью океана являлось одной из причин, по котором было реализовано совмещение нзобрагеннй РБО и оптических датчиков. В диссертации приведены примеры таких совместных изображений, где наблюдение атмосферного фронта над океаном по облачной структуре позволяет уверенно интерпретировать радиолокационное изображение. Кроне решения задачи интерпретации объекта исследования это позволяет тага® получить синхронные данные о "верхнем" и "низшем" слое

- 13 -

процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера.

Б то ие вреця основным недостатком использования оптической информации является ее естественная зависимость от условий освещенности. Поэтому одной из задач данной работы было создание методов выделения направлений ветровых потоков на радиолокационном изобра-вении космического РБО без приалечегая дополнительной информации. В результате разработаны и апробированы методики определения направлений и интентсивности ветровых потоков, основанные на спек-зальном преобразовании участков радиолокационных изображений, церващих неоднородности- собственно полей ветра, неоднородности зетровых затенений, а такие определения направлений по априори 1звестной спиральной (вихревой) структуре образования. Для послед-1его случая разработана методика выделения фоновых потоков ветра щя квазиосескмиетричных атмосферных систем одновременно с опреде-юкием параметров собственного (вихревого) поля ветра, что позво-!ило решгиь задачу об определении направления перемещения ураганов.

В целом сформулирована возыозность получения пакета параметров раганов (циклонов) на основании радиолокационных данных РБО типа СЗ "Косцос-1500"/"Океан".

В результате на основании разработанных методов интерпретации адаолокационных азимутальных зависимостей, радиолокационных дак-ых по исследовании динамики развитая поверхностных ветровых волн, олученных зависимостей УЭПР от скорости ветра показана возможность ¡¡следования отдельных явлений взаимодействия в система океан-атш>-£>ера как при помощи самолетной системы РБО высокого разревения, »к и РБО космического базирования для глобального мониторинга сеана.

В целоы ряде случаев задача оперативного определения скорости ¡тра над поверхностью океана носит весьма актуальный прикладной фактер. Это относится к наблюдению критических ситуаций в океане, !ких как возникновение штормовых зон, шквалов, полярных "ныряющих" клонов (не обнаруживаемых средствам!! оптики), тропических циклов (ураганов, тайфунов) и т.д. Анализ параметров РБО ИСЗ "Косыос-0Ф"/"Океан"- соотношения полосы обзора и пространственного разреши, возможности получения информация потребителем в реальном сштабе времени, всепогодяости - позволяет предложить создание на зе такой систеш международной службы наблюдения критических си-аций и природных катастроф в Мировом океане.

В работе приводятся результаты краткого анализа перспектив в исследовании поверхности океана при помощи многочастотных средств радиофизического зондирования пове^ юсти, реализуюида возможности одновременного мониторинга в различных диапазонах длин радиоволн, на различных поляризациях, В качестве новых возможностей многочастотной систеш для исследования поверхности океана можно отметить следующие : восстановления параметров спектра поверхностного волнения в широком диапазоне длин волн, эффективное исследование динамики волнения, шельфа, обнаружение и восстановление параметров поверхностных загрязнений. Приведены примеры реализации наблюдения поверхностных загрязнений (разливов нефти) в экспериментах, проводившихся многочастоткым радиолокационным комплексом ( РБО 3 см + РСА 23 см) самолета-лаборатории ИРЭ АН УССР. Доказана возможность идентификации и определения распределения толщины нефтяной пленки при совместном использовании радиолокационных данных сантиметрового и дециметрового диапазонов длин радиоволн. Аналогичные совместные двухчастотные радиолокационные изображения для зон развития волнения, проявлений пакетов внутренних волн и пр. позволяют продемонстрировать перспективы в исследованиях многочастотными средствами процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера, расширен» круга решаемых задач.

В заключении сформулированы основные результаты, получение при комплексном решении задачи радиофизического (радиолокационного: аэрокосмического исследования поверхности океана и эффектов взаимодействия в системе океан-атмосфера:

1. В рамках двухмасштабной модели рассеяния выполнен анали; параметров рассеянного сигнала с учетом реальных неравновесны: спектров ветрового волнения, включая динамику развития волнения 1 системы смешанного (многомодбвого) волнения. Использование завис» ыостей констант разделения спектра волнения на длинноволновую 1 коротковолновую части от скорости ветра позволило получить значена дисперсий углов наклонов крупных волн, а также зависимости УЭПР пр вертикальном зондировании поверхности моря от скорости ветра, близ кие к наблюдаемым экспериментально.

2. Исследован механизм формирования радиолокационных азимутал ных зависимостей для средних углов зондирования. В результате сов местного анализа полученных экспериментальных данных и расчетов рамках модели избирательного рассеяния показано, что формировали

азимутальных радиолокационных зависимостей при зондировании зон многомодового (смешанного) волнения объясняется одновременным влиянием анизотропии рассеивавшей ряби и максимальных углов наклонов системы гравитационных волн.

3. Проведен анализ зависимости радиолокационного азимутального контраста от скорости ветра для средних углов наблюдения поверхности. Разработана методика определения величин азимутальных контрастов при больших скоростях ветра, основанная на обработке кольцевых сечений космических радиолокационных изображений структур типа ураганов. Оптимизирован тип зависимости радиолокационного азимутального контраста от скорости ветра в диапазоне скоростей ветра от 0 до 50 мс"1. Показано, что данная зависимость имеет максимум для скорости ветра порядка 25 мс4.

4. Исследованы возможности радиолокационного зондирования зон «стационарного (развивающегося) волнения. На основании экспери-*ентальных данных и расчетов параметров рассеянного сигнала показано, что изменение пространственных градиентов интенсивности рассеяния определяется различной инерционностью в развитии длинно-золновой и коротковолновой части спектра. Результат позволяет юстроить алгоритмы эффективного исследования зон нестационарного золнения по данным радиолокационных систем дистанционного зондирования.

5. На основании сформулированных представлений о механизмах >бразования радиолокационных азимутальных зависимостей предложены (лгоритмы восстановления поля направлений ветрового потока над юверхностью океана. Последнее особенно актуально для систем РБО •ипа ИСЗ "Космос-1500"/"Океан", реализующих "одновзглядовый" ва->иант наблюдения поверхности с высокой оперативностью обработки ;анных.

6. Продемонстрирована возможность радиолокационного исследова-ия эволюционирующих мезомасштабньх вихревых структур над поверх-остью океана. Получены экспериментальные данные для распределен;?: араыетров поля скорости ветра, поля обмена тепла реального мезо-асштабного вихря.

7. Радиолокационные исследования тропических ураганов по анным РБО ИСЗ "Коемос-1500" позволили разработать алгоритмы оптативного восстановления двумерного поля скорости ветра над потзор:-:-остью океана, определения характерных параметров урагануь.

8. Проанализировав а возможность создания систеыы наблюдения, определения параметров критиче-ких явлений (катастроф) в Мировом океане на базе РБО типа ИСЗ "Космос-1500"/"Океан". Рассмотрены перспективы использования многочастотно« радиофизической системы космического мониторинга для исследования эффектов взаимодействия в Системе океан-атмосфера.

" По материалам диссертации опубликованы работы:

1. Ефимов В.В., Калмыков А.И., Коняк В.А., Курекин A.C., Пичу-гш А.П., Фетисов A.B., Цьшбал В.Н., Шестопалов В.П., Шило С.А., Величко С.А. Исследование поверхности океана радиофизическими средствам с аэрокосыических носителей. - Изв. АН СССР, сер. Физика атмосферы к океана, 1985, 21, N 4, с.349-357.

2. Величко С.А., Калмыков А.И., Пичугин А.П., Синицыя Ю.А., Цым-бал В.Н., Аль-Кадиш А.Д., Павленко А.Р. Радиолокационное устройство обнаружения и измерения параметров нефтяных пленок на водной поверхности. - Авт. свидетельство H 1187119.

3. Величко С.А., Ефимов В.Б., Зельдис В.И., Калмыков А.И., Ксмяк В.А., Курекин A.C., Личугнн А.П., Синицын Ю.А., Дымбал В.Н., Шило С.А. Радиолокационные исследования природной среды Земли из космоса (по данным КСЗ "Космос-1500"). - Всесоюзная конференция по статистическим методам обработка данных дистанционного зондирования окруаащей среды, Тез. докладов, Рига, 1986, с.61.

4. Величко С.А., Калмыков А.И., Синицын Ю.А., Цьшбал В.Н. Влияние ветрового вооянения на характеристики радиолокационных отражений поверхноостью моря. - Известия вузов, Радиофизика, 1987, т.30, H 7, с.840-852.

5. Величко С.А., Калмыков А.И., Синицын D.A., Цымбал В.Н. Радиолокационные исследования из космоса процессов, происходящихв активных метеообразованиях. - 15 Всесоюзная конференция по распространению радиоволн, Тез. докладов, Алма-Ата, 1987, М., Наука, 1987, с.404.

6. Величко С.А., Калмыков А.И., Синицын D.A., Цьшбал В.Н. Определение параметров тропических циклонов по радиолокационным космическим изображении. - 3 СЪезд советских океанологов, Тез. докладов, сер. "Физика и химия океана", Л., Гидрометеоиздат, 1987, с.74-75.

7. Калмыков А.И., ВедеашЛ.А., Величко С.А., Еленский Л.В., Зельдис В.И., Синицын S.A., Цьибал В.Н. Информационные возможности радиолокаторов бокового обзора ИСЗ серии "Носмос-1500". Особенности

меыа, обработки и интерпретация информации. - М., ВИЛГТГИ, 1SS8, 76 е.

8. Калмыков А.И., Цьшбая В.Н., Блинков А.Н., Веденин Л.А., Веяач-С.А., Сытник О.В., Качакоэ А.С., Кулеиов S.A., Щербинин Й.В., Лева-

овский B.D. Многоцелевая система радиолокационного зондирования при-дной среды Земли из космоса. -М., ВИНИТИ, 1983, -83 с.

9. Калмыков А.И., Цымбал В,Н., Величко С.л., Зубенко Н.В., Куле-в D.A., Олейник Н.А. Радиолокационные наблюдения из космоса критк-ских явлений и природных катастроф в Мировом океане. - Препринт 380, ИРЭ АН УССР, Харьков, 1989, 28 с.

10. Величко С.А., Калыкхов А.И., Сшшцын D.A., Цымбал В.К., сгопалов В.П. Радиолокационные исследования мезомасптабных про-ссов взаимодействия океана и атмосферы с аэрокосмических носите-й. - ДАН СССР, 1989, 303, N 2, с.353-357.

11. Калмыков А.И., Цлмбал В.Н., Величко С.А., Сяницын В.А. следования эффектов взаимодействия океага и атмосферы с помощью ) ИСЗ серии "Космос-1500". - 6 Меад. ккола по микроволновой фн-te и технике, 1989, Варна, Болгария, Тез. докладов, Препринт зтитута электроники БАН, с.162-163.

12. Tsyabal V.N., Kalaykov A.I., Velichko S.A, Radar sensing sea surface inhonogeneities. - Proceedings of the 6th Interna-)nal school on Microwave physics and techique, 2-7 Oct. 1987, •na, Bulgaria, World Scientific Publishing Co., Ptc.Ltd., Singa-•e, 1890, p.537-541.

13. Kalmykoy A.I., Tsynbal V.N., Kurekin A.S., Velichko S.A., .enski L.V., Igolkin V.V., Kuleshov Y.A., Levantovski V.Y., Si-;sp Y.A. Radar techniques of Earth exploration froa space. >lenentation in the spaceborne SLR of the "Cosaos-15e«"/"0keon" ■ies. - Proceedings of the 6th International school on Microwave 'sics and techique, 2-7 Oct. 1987, Varna, Bulgaria, World Scien-ic Publishing Co., Ptc.Ltd., Singapore, 1990, p.542-549.

14. Калмыков А.Й., Пичугин А.П., Синицын ».А., Величко С.А., Мит: Л.М. Рассеяние радиоволн морской пооверхкостью - в кн. Радиолока-

[ поверхности Земли из космоса, - Л.: Гидрометеоиздат, 199®, с.12-23.

15. Kalaykov A.I., Tsyiobal V.N., Kurekin A.S., Velichko S.A., шоу V.B. Radar investigations of ocean, sea ices and glaciers by ceborne SLR on satellites "Созшоз-1500"/"Океап". - XXIII General embly of the Internation Union of Radio Science (URSI), Prague, choslovakia, 28 Aug.- 5 Sep. 1990. Abstracts, v.2, p.594.