Спектры поверхностного волнения для задач дистанционного зондирования: обзор популярных моделей и обсуждение новой модели

В связи с разработкой первого российского скаттерометра [1] появилась необходимость моделирования скаттерометрических измерений для разных типов волнения. Скаттерометр выполняет измерения при средних углах падения и сечение обратного рассеяния зависит от спектральной плотности мелкомасштабной (резонансной) ряби. В связи с этим возникла задача доработки коротковолновой части спектра волнения [2], используемого для моделирования. Спектр [2] успешно применялся для обработки данных альтиметрических измерений и вычисления доплеровского спектра отраженного сигнала при малых углах падения [3].
В данной работе проведен сравнительный анализ наиболее популярных моделей спектров волнения, применяющихся при решении задач дистанционного зондирования (модели Кудрявцева [4], Elfouhaily [5], Hwang [6]), и модели спектра [2], а также обсуждается новая модель спектра, которая лишена недостатков, присущих анализируемым моделям. Подбор асимметричной функции углового распределения модифицированного спектра производился из соображений согласованности с данными дистанционного зондирования [7]. Новая модель в коротковолновой части спектра волнения опирается на экспериментальные данные из работы [4]. Измерения выполнялись при скорости ветра от 5 м/с до 15 м/с.
Показано, что дисперсии наклонов, вычисленные по модифицированному спектру волнения, совпадают с данными известного эксперимента Cox и Munk [8] и с данными, полученными при анализе снимков со спутников в работе Bréon и Henriot [9]. Сечения обратного рассеяния для средних углов падения, вычисленные по радиолокационной модели спектра, согласуются с геофизическими модельными функциями для Ku, С и L диапазонов. Новая модель спектра содержит зависимость от длины ветрового разгона, что позволяет в совокупности со спектром зыби моделировать различные варианты волнового климата.
Надо отметить, что предлагаемая модель спектра волнения не претендует на полное и точное океанологическое описание волнения. Для построения такого спектра необходимо проведение обширных океанографических исследований. Цель нашей работы – на основе существующих океанологических и радиолокационных данных построить модель спектра волнения, удовлетворительно описывающую известные экспериментальные данные о волнении и позволяющую теоретически исследовать проявление поверхностного волнения в структуре рассеянного радиолокационного сигнала. Мы стремились максимально упростить формулу для спектра, чтобы с ее помощью проводить аналитические преобразования, например интегрирование, при изучении процессов рассеяния. Условно такой спектр можно назвать «радиолокационным». Достоинство построенной модели спектра волнения в том, что она значительно лучше, по сравнению с существующими моделями, описывает эффекты, наблюдаемые при радиолокационном зондировании океана.

Авторы выражают благодарность М.В. Юровской за предоставленные экспериментальные данные и В.Н. Кудрявцеву за плодотворные обсуждения.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 17-05-00939 А, 16-35-00548 мол_а) и Фонда поддержки научно-проектной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых «Национальное интеллектуальное развитие» в рамках научного проекта № 16-35-80022 мол_эв_а.