автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.12, диссертация на тему:Исследование параметров и явлений в системе океан-атмосфера СВЧ- радиометрическим и радиолокационным методами

российская академия наук, дальневосточное

ОТДЕЛЕНИЕ

ТИХООКЕАНСКИЙ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

РГ6 од

НОЯ

МИТНИК Леонид Моисеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ЯВЛЕНИЙ В СИСТЕМЕ ОКЕАН-АТМОСФЕРА СВЧ-РАДИОМЕТРИЧЕСКИМ И РАДИОЛОКАЦИОННЫМ МЕТОДАМИ

Специальность 05.07.12 - дистанционные аэрокосмические

исследования

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Владивосток - 1995

На пранах рукописи

ЛадА^

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук К. И. Воляк, Институт общей физики РАН, г. Москва

доктор физико-математических наук, профессор Г.М. Стрелков, Институт рппиптруник-н и чппнгроники РАН, г Мпгклл

доктор физико-математических паук, профессор Е.А. Шарков, Институт космических исследований РАН, г. Москва

Ведущая организация - Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, г. Москва

Защита состоится " 28 " ноября 1995 г. в "40" час. С№ мин на заседании диссертационного совета Д.002.94.03 при Институте космических исследований РАН в конференц-зале института по адресу:

117810, г. Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, подъезд 4.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Института космических исследований

Диссертация в виде научного доклада разослана октября 1995 г.

М.Я. Натензон

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Анализ программ по дистанционному зондированию окружающей среды электромагнитными средствами, осуществляемых в последние 10-20 лет в различных странах, выявляет ярко выраженную тенденцию, заключающуюся в заметном абсолютном и относительном увеличении количества приборов, работающих в СВЧ-участке спектра. Указанная тенденция обусловлена не только возможностью получения информации о природной среде независимо от времени суток и при наличии облачности, но и высокой чувствительностью собственного радиотеплового и рассеянного радиолокационного излучений к большому числу геофизических параметров, описывающих состояние атмосферы и подстилающей поверхности.

Особую важность имеет зондирование океана, морских льдов и атмосферы над океаном, где спутниковые измерения в различных диапазонах длин волн часто являются единственным источником информации о природных процессах. Спутниковые методы наиболее адекватны пространственно-временным масштабам явлений, наблюдаемых в системе океан-атмосфера, так как обеспечивают широкий охват и повторяемость получения данных. Эти данные используются как в оперативной работе, связанной с прогнозом погоды, подготовкой карт ледовой обстановки и обеспечением разнообразной хозяйственной деятельности (транспортные и рыбопромысловые операции на море и пр.), так и при проведении научных исследований.

Существенньш ограничением спутниковых методов - как пассивных, так и активных - является то, что по своей природе они являются косвенными и позволяют исследовать главным образом границу раздела океан-атмосфера и атмосферу. Поэтому дистанционные методы применяются для изучения тех явлений, протекание которых сопровождается изменением свойств, прежде всего, поверхности воды, причем таких, которые вызывают вариации характеристик собственного или отраженного электромагнитного излучения.

Несмотря на более чем 25-летний срок СВЧ-радиометрического зондирования Земли из космоса, начало которому положили трассовые надирные измерения на четырех длинах волн со спутника "Космос-243" (Башаринов, Гурвич, Егоров; 1974), потенциальные возможности метода далеко не исчерпаны.

Наиболее важные результаты были получены при зондировании морских льдов. Резкое различие диэлектрических свойств воды и льда и изменение характеристик льда с возрастом, проявляющиеся в их СВЧ-спектрах, позволили развить алгоритмы обработки многочастотных данных, оценивать сплоченность и возраст морских льдов, фиксировать положение ледовой кромки, выявлять структуру поверхностных течений по распределению битого льда и т.д. Анализ внутригодо-вой и межгодовой изменчивости площади ледяного покрова служит

основой для изучения связи океанических и атмосферных процессов и короткопериодных вариаций климата.

Существенный прогресс достигнут при изучении изменчивости характеристик ветра над Мировым океаном. Детальное исследование факторов, влияющих наряду с ветром на коэффициент излучения морской поверхности (стратификация приводного слоя атмосферы, "возраст" волнения и т.д.), позволяет усовершенствовать алгоритмы и снизить погрешности оценки скорости ветра.

Применительно к атмосфере резко возрос объем сведений об изменчивости содержания парообразной и капельной влаги над океаном и в отдельных погодных системах, полученный_по^ааннь1м-СВЧ^ зондирования1^^1тщ:щьные--параметрБГ~атмоа^^ в

-и сс л едо пан йюГ1Гзаим оде й ств и я океана и атмосферы, для коррекции показаний альтиметра над океаном, в прогностических схемах. Важным приложением измерений уходящего излучения атмосферы в 5-мм полосе поглощения кислорода является оценка распределения температуры в ядре тропического циклона (ТЦ), что позволяет определить минимальное давление в центре и стадию развития ТЦ.

Эффективным средством изучения явлений и процессов в океане стали активные системы зондирования: радиолокаторы бокового обзора с реальной и синтезированной апертурой, скаттерометры и альтиметры. В работах автора анализировались данные, полученные радиолокационной станцией бокового обзора (РЛС БО) с реальной апертурой, работающей в 3-см диапазоне длин волн. Эксперименты по радиолокационному (РЛ) зондированию морской поверхности проводились на. спутниках серии "Океан" с сентября 1983 г., когда был запущен ИСЗ "Космос-1500" (Калмыков и др., 1984).

Данные РЛС БО обладают заметно более высоким пространственным разрешением по сравнению с СВЧ-радиометрическими и скаггерометрическими, что позволило обнаружить неизвестные ранее мезомасштабные особенности поля приводного ветра и ледяного покрова, обусловленные атмосферными и океаническими процессами. Для объяснения выявленных структур в поле удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) потребовалась разработка моделей.

Плодотворным приложением методов СВЧ-радиометрии и радиолокации является регистрация вихревых образований, течений, внутренних волн, загрязненных участков поверхности моря. Оценка относительного вклада динамических (течения), физических (температура), биологических и антропогенных (пленки поверхностно-активных веществ - ПАВ) факторов в вариации высокочастотной части спектра волнения, в величину и знак наблюдаемых контрастов -предмет дальнейших исследований.

Улучшение технических характеристик спутниковой аппаратуры, освоение новых участков спектра и разработка более эффективных алгоритмов обработки данных обеспечивают более высокое пространственное разрешение, повышение точности оценок геофизических па-

раметров и расширяют сферу приложения данных зондирования. На стадии формулирования требований к аппаратуре и при разработке алгоритмов необходимым этапом является проведение имитационных экспериментов с моделями переноса излучения, рассеяния взволнованной морской поверхностью и др. В этой сложной проблеме следует выделить моделирование синхронных СВЧ-радиометрических и РЛ-измерений. Высокая эффективность активно-пассивного зондирования системы океан-атмосфера была продемонстрирована в экспериментах с ИСЗ серии "Океан".

Вопросы радиофизического (РФ) зондирования природных сред разрабатывались в Институте радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН, Институте космических исследований (ИКИ) РАН, Главной геофизической обсерватории (ГГО) им. А.И. Воейкова, Научно-исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ), Институте физики атмосферы (ИФА) РАН, Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО), Институте прикладной физики (ИПФ) РАН, Институте общей физики (ИОФ) РАН, Институте океанологии (ИО) РАН, ' Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ), Гидрометцентре, Морском гидрофизическом институте (МГИ), Институте радиотехники и электроники (ИРЭ) АН Украины и в других организациях. Работы автора по изучению параметров и явлений в океане и атмосфере РФ-методами, обобщенные в данном докладе, были начаты в ИРЭ РАН. Теоретическая часть базируется на анализе связей спектров СВЧ-излучения атмосферы и системы океан-атмосфера с геофизическими параметрами, на проведении имитационных экспериментов с моделью переноса излучения и с гидрометеорологическими моделями. Экспериментальная часть основана на анализе спутниковьрс и судовых РФ-измерений. При анализе и интерпретации данных РФ-экспериментов использовались спутниковые изображения в ИК- и видимом участках спектра, аэрологические данные, карты погоды и самолетной ледовой разведки, другая сопутствующая информация.

Цель работы состоит в исследовании РФ-свойств системы океан-атмосфера при помощи дистанционных аэрокосмических средств и использовании этих свойств при оценке параметров и изучении явлений в этой системе.

Задачи исследований связаны с развитием методов интерпретации данных РФ-дистанционного зондирования параметров и явлений в океане и атмосфере. Для этого было необходимо исследовать связь спектров уходящего СВЧ-излучения Земли и отдельных его компонентов и интенсивности рассеянных РЛ-сигналов с гидрометеорологическими параметрами, с их пространственно-временными вариациями. Анализ результатов спутниковых СВЧ-радиометрических и РЛ-экспериментов над океаном потребовал развития методов решения обратных задач дистанционного зондирования, разработки методик и проведения судовых измерений с существенно более высоким по

сравнению с наблюдением из космоса пространственным разрешением и возможностью сбора in situ данных, разработки гидрометеорологических моделей.

Конкретные задачи исследования заключались:

- в развитии теории переноса СВЧ-излучения в системе океан-атмосфера, методик восстановления параметров этой системы по данным РФ-дистанционного зондирования и в анализе судовых и спутниковых измерений;

- в исследовании макро- и мезомасштабной изменчивости приводного ветра и разработке моделей мезомасштабных организованных вариаций удельной эффективной площади рассе$шия_и_подводных— акустическихшумов_океана;-----

--=~в исследовании динамических процессов в океане по их проявлениям в поле шероховатости поверхности, регистрируемых радиофизическими методами;

- в исследовании PJl-характеристик, структуры и изменчивости льдов дальневосточных (ДВ) морей.

Научная новизна работы

1. Детальное исследование спектров излучения системы океан-атмосфера в диапазоне частот 1-200 ГГц с учетом температурных вариаций спектра поглощения в облаках. Развитие СВЧ-радиометри-ческого метода определения над океаном паросодержания атмосферы, водозапаса и эффективной температуры облаков. СВЧ-радиометри-ческий метод оценки параметров вертикального профиля температуры в поверхностном микрослое воды. Метод коррекции показаний альтиметра над океаном по СВЧ-радиометрическим оценкам влажной и облачной составляющих электрической толщи атмосферы. Оптимизация наземных измерений содержания примесных газов в верхней атмосфере Земли и метод оценки интегрального содержания озона в атмосфере.

2. Исследование изменчивости приводного ветра в различных погодных системах по данным спутниковой PJIC БО. Зоны с резкими пространственными градиентами ветра, с мезомасштабнымц организованными структурами и др. Корреляция полей приводного ветра и облачности в процессах синоптического, субсиноптического и мезо-масштабов (холодные вторжения, атмосферные фронты, полярные, конвективные и орографические вихри, ячейки, гряды и т.д.). Разработка моделей мезомасштабных структур в поле УЭПР морской поверхности в районах с ячейковой и грядог.ой конвекцией в пограничном слое атмосферы. Разработка модели пространственных вариаций акустических шумов океана в диапазоне 1-10 кГц.

3. Разработка методики судовых наблюдений океанических явлений с использованием СВЧ-радиометров и навигационной PJIC. Спутниковые и судовые РФ-измерения динамических структур в океане (внутренние волны, фронты, вихри), природных и антропогенных сликов по их проявлениям в поле шероховатости поверхности.

Совместный анализ РЛ- и ПК-изображении субарктической (фронтальной зоны Куросио.

4. Исследование льдов ДВ морей России с использованием сиут-ииконой РЛС БО: РЛ-контраеты различных пилок морского льда, структура ирикромочной ледовой зоны, изменчивость ледовой кромки под влиянием ветра и течений; вихревые, грибовидные и другие организованные образования в поле битого льда.

5. Разработка метода судовых СВЧ-радиометрнческих измерений облачности. Вариации водозапаса облаков в различных погодных системах. Моделирование многочастотных СНЧ-измерений из космоса с учетом антенного сглаживания на основе судовых измерений излучения атмосферы на Я=2,3 см.

6. Исследование характеристик облачности и водяного пара над тропической зоной океана по СВЧ-измерениям из космоса. Развитие методики оценки стадии развития тропического циклона и давления в его центре. Методика совместного СВЧ-радиометрического и РЛ-зон-дирования ТЦ, анализ и интерпретация спутниковых измерений.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Методы, развитые на основе анализа спектров СВЧ-излучения системы океан-атмосфера, позволяют: оценивать эффективную температуру и водозапас облаков и паросодержание атмосферы, снизить погрешности определения параметров океана и атмосферы; проводить коррекцию альтиметрических измерений над океаном; оптимизировать условия наблюдения примесных газов в верхней атмосфере Земли; оценивать интегральное содержание озона в атмосфере по измерениям его излучения в миллиметровом диапазоне широкополосным (300-500 МГц) радиометром.

2. Сведения о мезомасштабных регулярных вариациях и зонах с резкими градиентами приводного ветра, могут быть использованы при разработке модернизированных алгоритмов оценки параметров ветра спутниковыми скаттерометрами и РЛС БО; расчете поля акустических шумов океана на килогерцевых частотах; анализе спутниковых изображений облачности; выработке рекомендаций по проведению метеорологических наблюдений в море; прогнозе погоды.

3. Регистрация течений, вихревых образований, сликов независимо от облачности (при скорости ветра меньше 8-10 м/с) открывает дополнительные возможности для слежения за динамическими образованиями в океане. Методика судовых РФ-наблюдений поверхностных проявлений внутренних волн, океанических фронтов и др. использовалась в рейсах на судах ДВО РАН и Национального тайваньского океанологического университета (НТОУ).

4. Методика дешифрирования РЛ-изображений ледяного покрова использовалась при подготовке карт ледовой обстановки в Дальневосточном региональном центре приема и обработки спутниковых данных (ДВ РЦПОД) и Камчатском территориальном управлении по

гидрометеорологии. Карты транслировались в эфир 2-3 раза в педелю в 1987-1991 гг.

5. Методика оценки водозаиаеа облаков использовалась в 10 рейсах на научно-исследовательских судах (НИС) ДВО РАН и Дальневосточного научно-исследошпел1>ского института (ДВНИИ) и в НТОУ при изучении облачности зимнего муссона и ТЦ. Методика моделирования СВЧ-паблюлений из космоса, базирующаяся на судовых измерениях облачности, позволяет рассчитать пространственные вариации яркостных температур системы океан-атмосфера для заданных характеристик каналов и оценить влияние на результаты измерений антенного сглаживания.

6. Различные модификации методики интерпретации были^П]ШмС1 щцы_к-данным—РФ^Мз\Гср"ени?Г Ш1Д океаном

-ссгспутников серий "Космос", "Метеор", "Океан" и ОМБР. Методика

оценки давления в центре ТЦ и стадии его развития может быть использована при анализе планируемых в будущем измерений в 2,5-мм линии поглощения кислорода. Результаты анализа совместных СВЧ-радиометрических (ИСЗ "Космос-1766", "Океан", БМ8Р) и радиолокационных (ИСЗ "Космос-1766", "Океан") измерений позволяют моделировать наблюдения со спутника ТЯММ.

Основные научные положения, выносимые на защиту 1. Исследование спектров СВЧ-излучения системы океан-облачная атмосфера. Методы восстановления водозапаса и эффективной температуры облаков и паросодержания атмосферы, влажной и облачной составляющих электрической толщи атмосферы. Оценка параметров холодной пленки океана по СВЧ-радиометрическим измерениям. Методы оптимизации наземных- измерений содержания примесных газов в верхней атмосфере Земли и оценки интегрального содержания озона в атмосфере.

2. РЛ-исследование синоптической и мезомасштабной изменчивости приводного ветра в различных погодных системах. Корреляция приводного ветра и облачности в процессах различных масштабов. Организованные^структуры в поле ветра в зонах с грядовой и ячейковой конвекцией, их отображение в полях УЭПР морской поверхности и акустического шума океана.

3. Исследование динамических структур в океане (течения, вихревые образования, внутренние волны), природных и антропогенных сликов спутниковыми и судовыми РФ-методами, методика судовых РФ-измерений. Корреляция полей УЭПР и температуры поверхности океана (ТПО) в субарктической фронтальной зоне Куросио.

4. Спутниковые РЛ-исследования структуры и динамики ледяного покрова ДВ морей России. Изменчивость РЛ-контрастов различных видов однолетнего морского льда. Воздействие ветра и течений на структуру прикромочной ледовой зоны. Вихревые, грибовидные и пр. организованные образования в поле битого льда.

5. Спутниковые и судовые исследования вариаций водозапаса облаков и паросодержания атмосферы. Имитационное моделирование многочастотных спутниковых СВЧ-наблюдений над океаном с использованием судовых СВ-измерений атмосферы, моделей водности облаков и характеристик антенн.

6. Развитие метода восстановления давления в центре и стадии развития ТЦ по СВЧ-радиометрическим измерениям излучения атмосферы в линиях поглощения кислорода. Моделирование самолетных СВЧ-измерений в области тропических и полярных циклонов. Разработка метода совместного СВЧ-радиометрического и РЛ-зондирова-ния циклонических образований из космоса, интерпретация экспериментальных данных.

Апробация

Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международных и Всесоюзных конференциях, важнейшими из которых являются:

15-я Генеральная Ассамблея Международного геофизического и геодезического союза - IUGG (Москва, 1971); 24-й (Баку, 1973), 26-й (Лиссабон, 1975), 27-й (Анагейм, США, 1976), 34-й (Будапешт, 1983) и 35-й (Лозанна, 1984) Конгрессы Международной Астронавтической Федерации - IAF; XIV Тихоокеанский научный конгресс (Хаба-ровск, 1979); Международный симпозиум "Вариации глобального водного бюджета" (Оксфорд, 1981); 1-й (Нальчик, 1981) и 3-й (Ялта, 1985) Международные симпозиумы по тропической метеорологии; V (Кэнунг, Ю. Корея, 1989) и VI (Фукуока, 1991) Международные совещания по изучению Японского и Восточно-Китайского морей -JECSS; VI и VII Международные симпозиумы по Охотскому морю и льдам (Момбетсу, Япония, 1991, 1992); I (Окинава, Япония, 1992) и II (Мельбурн, Австралия, 1994) Международные конференции по дистанционному зондированию Тихого океана - PORSEC; Международное совещание .по изучению полярных циклонов (Париж, 1994); Вторая Международная конференция по взаимодействию океана и атмосферы, морской метеорологии и прибрежной океанограф™ (Лиссабон, Португалия, 1994) - ICAIMPO; VII (Горький, 1972) Всесоюзная конференция по радиоастрономии; Всесоюзная конференция по радиометеорологии (Фрунзе, 1972); X (Иркутск, 1972), XI (Казань, 1975), XII (Томск, 1978) и XV (Алма-Ата, 1987) Всесоюзные конференции по распространению радиоволн; 4-е Всесоюзное совещание по радиометеорологии (Москва, 1975); Всесоюзная конференция по распространению миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн * (Москва, 1976); 1-я Всесоюзная конференция по проблеме исследования и освоения Мирового океана (Владивосток, 1976); Всесоюзная конференция "Радиофизические исследования атмосферы" (Ленинград, 1976); 1-й (Москва, 1977), 2-й (Ялта, 1982) и 3-й (Ленинград, 1987) Всесоюзные съезды советских океанологов; 7-я Всесоюзная конференция по информационной акустике (Москва,

1981); 8-е научные чтения по космонавтике (Москва, 1982); I Всесоюзная конференция "Биосфера и климат по данным космических исследований" (Баку, 1982); семинар ГКНТ "Атмосфера-океан-космос" (Москва, 1983); Всесоюзная конференция по программе "Разрезы" (Одесса, 1984); Всесоюзные семинары-совещания по спутниковой океанологии (Севастополь, 1985, 1987, 1988, 1989, 1990); Второй Всесоюзный акустический семинар "Модели, алгоритмы, принятие решений" (Москва, 1988); Всесоюзная научно-технич. конференция "Методы и средства дистанционного зондирования Земли" (Рязань, 1989); Всесоюзная конференция "Использование спутниковой информации в исследовании океана и атмосферы" (Звенигород, 1989); Междуведомственный семина|^'^роб^мы_спутниковой--океаноф_а:г фии:_использование-информащ1и ИК-диапазона" (Ленинград, 1989); Всесоюзная школа "Дистанционные РФ-методы исследования природной среды" (Барнаул, 1991); Советско-американский симпозиум по зондированию океана го космоса (Москва, ИОАН, 1991).

Материалы диссертации докладывались на Ученом совете Тихоокеанского океанологического института (ТОЙ) ДВО РАН, на семинарах в ТОЙ, ИРЭ РАН, ИКИ РАН, Ленинградского гидрометеорологического института, Дальневосточного государственного университета, в институтах и университетах Канады, Японии, Тайваня.

Публикации

Основные • публикации по теме диссертации включают 69 научных работ

Личный вклад автора в совместных публикациях

Из перечисленных работ 24 выполнены без соавторов. Все результаты по анализу СВЧ-спектров диэлектрических характеристик и коэффициента излучения воды, глубины проникновения электромагнитных волн в воду и коэффициента поглощения в облаках, а также по развитию методик использования особенностей этих спектров для восстановления профиля температуры в тонком поверхностном слое воды и по определению интегральных параметров атмосферы, включая эффективную температуру облачных капель, получены автором.

Ему также принадлежат разработки:

- моделей поля УЭПР морской поверхности при организованной конвекции в атмосфере;

- оптимальных условий наблюдения примесных газог. в верхней атмосфере Земли и общего содержания озона в атмосфере по наземным СВЧ-измерениям;

- методик наблюдения и алгоритмов оценки:

а) характеристик внутренних волн по судовым РФ-наблюдениям;

б) влажной и облачной составляющих электрической толщи атмосферы; вариаций паросодержания атмосферы над океаном по данным СВЧ-зондирования с ИСЗ;

В исследованиях приводного ветра по данным РЛС БО были заняты Г.И. Десятова, В.В. Ковбасюк и Г.В. Вольпян. Они участвовали

в сборе сопутствующей информации, интерпретации комплексных измерений и написании статей. Г.В. Вольпяну принадлежат РЛ-оценки скорости ветра. Параллельно с автором изучением приводного ветра (включая его мезомасшТабные организованные вариации) занимались сотрудники Харьковского ИРЭ АН Украины (А.И. Калмыков, А.П. Пичугин, В.Н. Цымбал и В.П. Шестопалов) и Государственного научно-исследовательского центра по изучению природной среды (М. Назиров, П.А. Никитин, Ю.Г. Спиридонов и М.В.Бухаров).

Работы по' зондированию динамических процессов в океане с ИСЗ были проведены в сотрудничестве с В.И. Ильичевым, В.Б. Лобановым и Н.В. Булатовым. В.Б. Лобанов и Н.В. Булатов анализировали спутниковые ИК-изображения океана, участвовали в комплексной интерпретации данных и написании статей.

Ю.Б. Хапин и А.Г. Семин участвовали в экспериментальных исследованиях нефтяных загрязнений с самолета и в обработке данных измерений.

Работы по акустическим приложениям данных дистанционного зондирования выполнены совместно с В.И. Ильичевым, В.Б. Лобановым, В.П. Дзюбой и МЛ. Митник.. Идея акустических приложений возникла при обсуждении проблем дистанционного зондирования океана с В.И. Ильичевым. В.Б. Лобанов анализировал ИК-изображе-ния океана над районами судовых измерений; В.П. Дзюба рассчитывал характеристики динамических шумов океана; МЛ. Митник выполнила оценки вариаций шума по спутниковым определениям скорости ветра.*

Работы по РЛ-зондироВанию морских льдов выполнены совместно с Г.И. Десятовой, В.В. Ковбасюком и А.И. Калмыковым. В.В. Ковбасюком и Г.И. Десятовой собрана сопутствующая информация для интерпретации РЛ-изображений. Они также участвовали в комплексном анализе данных и в написании статей.

Работы по СВЧ-радиометрическому зондированию океана и атмосферы выполнены совместно с МЛ. Митник, И.А. Алексеевой, Е.П. Домбковской, А.Б. Аквилоновой, В.В. Калашниковым, Б.Г. Ку-тузой, Н.Ф. Кухарской, В.В. Озеркиной и М.Ю. Шум. МЛ. Митник были написаны программы и выполнены расчеты спектров яркостной температуры системы океан-атмосфера. Она также проводила СВЧ-измерения атмосферы в четырех судовых экспедициях. Е.П. Домбков-ская, И.А. Алексеева и В.В. Озеркина анализировали синоптическую обстановку и снимки облачности и участвовали в интерпретации спутниковых СВЧ-наблюдений, А.Б. Аквилонова, В.В. Калашников и Б.Г. Кутуза участвовали в экспериментах по измерениям излучения атмосферы в полосе кислорода и в интерпретации данных, Н.Ф. Ку-харская обрабатывала аэрологические данные и вела расчеты по вариациям фазового запаздывания радиоволн, М.Ю. Шум принадлежат результаты по моделированию антенного сглаживания.

Автор выражает искреннюю благодарность всем своим соавторам.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. СВЧ-характернстики океана и атмосферы

1.1. Диэлектрическая проницаемость воды

В задачах дистанционного зондирования природной среды одним из наиболее часто встречающихся радиофизических параметров является относительная комплексная диэлектрическая проницаемость воды е — £¿1 - 1Е2- Только значениями е воды определяютсяпкоэффи^ циент^ш^ения-Прес11ыхч;оленыхводоемов^(1Готсутствие волнения и загрязняющих пленок), глубина проникновения электромагнитной волны в воду, коэффициент поглощения и фазовое запаздывание электромагнитной волны в облаке [31].

Зависимость перечисленных величин от температуры воды I и частоты v также определяется только соответствующими зависимостями Е1 и 82-

Особая роль воды проявляется и в том, что она меняет СВЧ-харакгеристики материковых покровов и льдов. От влажности зависят коэффициенты излучения почв, снега, пресноводных и морских льдов и глубина проникновения в них электромагнитных волн [28, 30]. Знание е воды необходимо при расчетах поглощения и рассеяния радиоволн в осадках, коэффициентов излучения пены, эмульсий нефти с водой и т.д. [5,12].

Неопределенность в значениях 8 зависит от ошибок измерений е1(уЛ) и ег(уЛ) и от неточного знания температуры среды (поверхности океана, облачных капелек).

Относительные изменения коэффициента излучения гладкой поверхности воды 8к(уД) = (дк/д1)/к превышают 0,3%/°С в дециметровом диапазоне (v < 1,4-1,7 ГГц, соленость б = 35 %о) и на v > у0, где v«, = 10 ГГц при I = 0°С и у0 = 40 ГГц при г = 30°С (пресная и соленая вода). Максимальные значения 8к(уД) отмечаются в интервале 40-60 ГГц (Б* = - (0,82-0,90)%/°С, I = 0°С) и на частотах 80-130 ГГц (8К = - 0,5%/°С, I = 30°С). Очень слабо влияет температура на значения к соленой воды вблизи v = 4 ГГц [31].

Анализ экспериментальных данных показывает, что погрешности измерения 81 и 82 составляют 1-2% и возрастают до нескольких процентов в диапазоне коротких миллиметровых волн. Результирующая относительная погрешность определения к в предположении, что А81/81 и ДБ2/82 независимы и равны 1%, составляет 0,25-0,50%, возрастая с понижением частоты, а на v < 2 ГГц - и с увеличением б.

1.2. Яркостная температура океана

В отсутствие волнения и загрязняющих пленок яркостная температура океана является функцией диэлектрических характеристик [12,14,17,18] и вертикального профиля температуры воды T(h) в пределах тонкого поверхностного слоя [19]:

л

оо v(h)$ccOdh

тя (V) = ф)1 7*(%„(Л)е 0 sec <Mh, (1)

о

где Yv(h) - вертикальный профиль коэффициента поглощения.

Толщину поверхностного микрослоя можно принять равной 2-3 глубинам проникновения электромагнитной волны в воду Lx- В дециметровом диапазоне значение толщины скин-слоя Lx составляет 5-9 мм, а в сантиметровом-миллиметровом оно уменьшается до десятых долей миллиметра [12,19].

Приращения ТЯ(Х), обусловленные вариациями вертикального профиля температуры в приповерхностном слое 9кеана относительно изотермического профиля Ти, при аппроксимации профиля T(h) функцией Ти -ATexp(-ßh), где ДТ = Ти - Т0, Т0 - температура поверхности, могут быть представлены в виде

АТЯ(Х) = -кДТНДН + Lx), (2)

где Н = 1/ß - приведенная толщина распределения температуры.

При Lx « Н АТЯ(Х) = -kAT(1-Lx/H), т.е. вариащш яркости пропорциональны глубине проникновения и градиенту температуры воды у поверхности ДТ/Н.

При Lx » Н АТЯ(Х) = -кДТН/Lx, и вариащш яркости обратно пропорциональны Lx-

Из результатов модельных расчетов следует, что для оценки параметров пленки измерения следует осуществлять в диапазоне длин волн 1,5 < Я, < 15-20 см. (Расчеты - Шарков, 1978 - показали допустимость применения закона Снеллиуса для рассматриваемой неоднородной среды). При спокойной поверхности моря регистрируется излучение с вертикальной поляризацией под углом к нормали 9 = 70*80°, а при волнении - излучение или с круговой поляризацией при 9 < 20-5-30°, или с вертикальной при 9 = 53-^63°. Влияние атмосферы и волнения минимально, если измерения вести в отсутствие мощной облачности и осадков при скорости приводного ветра <10 м/с. Для холодной пленки с параметрами ДТ == 1К и Н = 0,2 см приращения Тя в диапазоне длин волн от 1,5 до 10 см будут меняться от -0,055-0,1 до -0,ЗЗК (зондирование в надир), от -0,14-0,33 до -0,73К (зондирование на вертикальной поляризации при 9=75°) и от

-0,085-0,20 до -0,48К (при волнении и измерении под углом 55°) [19]. Влияние температуры и солености и ошибок измерения Е] и &2 воды на Ьх проанализировано в [31].

СВЧ-характеристики взволнованного океана зависят от спектра шероховатости поверхности и от характеристик дисперсных структур, формирующихся при обрушении поверхностных волн [12]. Появление пленок нефтепродуктов и природных ПАВ также меняет СВЧ-характеристики океана из-за изменения как диэлектрических характеристик, так и геометрии (спектра) волнения [5,11,12].

1.3. Спектры поглощения в облаках ___

_Коэффициент-поглощения в мелкокапельных облаках находился

по формуле

Уобл(у) = О.Обтсуе^юЛМу) + 2]2 + [е2(у)]2}, (3)

где о - водность облака в г/м3.

Капли воды в облаках наблюдаются до -40°С. Поэтому рассматривались вариации спектра поглощения и при отрицательных температурах. На v £ у0 » 50 ГГц значения Бу^ = (дуоблЛЮ/Уобл отрицательны: повышение температуры на 1°С сопровождается уменьшением коэффициента поглощения от ~2,2 (I = 203С) до -4,8% (I = -30"С). На v > ус знак зависимости меняется на противоположный. Чем ниже температура облачных капелек тем на более низкой частоте происходит смена знака [31], что видно из рис. 1 [36]).

Рис. 1. Нормализованные на частные производные поглощения в облаках по температуре облака при трех значениях ^д^.

Зависимость поглощения в кристаллических облаках от частоты и температуры аппроксимировалась выражением [21]

ГоблО'Д) « 2,2-10"4 у!/3(1 + 0,0951 + 0,00281;2)<а, (4)

где со - ледность облака.

1.4. Спектры япкостной температуры системы океан-атмосфера 1.4.1. Основные соотношения. Изменчивость спектров яркост-ной температуры системы океан-атмосфера T„(v), вызванная вариациями гидрометеорологических и радиофизических параметров и геометрии зондирования, была исследована путем численного интегрирования уравнения переноса СВЧ-излучення. Результаты расчетов Тя были использованы при разработке алгоритмов обработки и анализа экспериментальных данных, оценки эффективности СВЧ-зондирования ТЦ и полярных вихрей, моделирования наблюдений с модуля "Природа" и др.

Яркостная температура уходящего излучения Земли на горизонтальной (г) и вертикальной (в) поляризациях рассчитывалась по формуле

v) <r;DOB( v)«^-* и и 1 • -г,6( + ,5)

т^-к^и1**"0.

где 0 - угол между направлением зондирования и местной нормалью; Н

T=jy (h)dh (6)

О

- интегральное поглощение атмосферы, Н - высота верхней границы атмосферы; yv(h) - коэффициент поглощения в атмосфере на высоте h над поверхностью;

Н

. н - lrv(h)secedh

W, ( у) = \П h)r U h)e h sec&tt (7)

О т.:

- яркостная температура восходящего излучения атмосферы; T(h) -вертикальный профиль температуры воздуха;

h

I Н -\rJLK)sec6dh

Т„аш ( v) = J Т( h)y v( h)e 0 secШ (8)

О

- яркостная температура нисходящего излучения атмосферы; Тк - яркостная температура космического излучения.

Интегральное поглощение складывается из поглощений в кислороде r02(v), водяном паре, облаках и малых газовых составляющих атмосферы. Поглощение в водяном паре xnap(v) = anap(v)W, где

W = I p(h)dh - паросодержание атмосферы; p(h) - абсолютная о

влажность воздуха; a(v) - коэффициент пропорциональности, зави-

сящий от вертикального профиля влажности. Интегральное поглоще-

hi

ние в облаке т0бл (v) = a(v,to6iI)Q, где Q = / (o(h)dh - водозапас

h:

облака; h| и Ьг - высота нижней и верхней границ облака соответственно; a(to6jl) - коэффициент пропорциональности; 10дл - эффективная температура, зависящая от вертикальных профилей температуры и водности облака и от частоты (Башаринов и др., 1968; Башаринов и Кугуза, 1974; [7,10, 21,36]).

Выражение (5) справедливо при отсутствии в атмосфере крупных гидрометеоров, когда можно пренебречь эффектами рассеяния. При более строгом рассмотрен1Ш^1еобходимо-также~учесть~сфёрйч:г иостБ~Земли и рефракцию радиоволн.

1.4.2. Результаты расчетов. Из-за сложности аналитических выражений, описывающих поглощение в атмосфере и коэффициенты излучения водной поверхности, интегрирование формул (5)-(8) осуществлялось численным методом. Это обусловлено и тем, что значения температуры, давления и других параметров атмосферы известны, как правило, на фиксированных уровнях. Расчеты велись для v = 1-5-200 ГГц. Весь диапазон был разбит на ряд поддиапазонов, в пределах которых использовались более простые и точные формулы для описания поглощения в атмосферных газах, зависимостей коэффициентов излучения воды от скорости ветра и т.д., что обеспечивало лучшее согласие с экспериментальными данными.

Обусловленные атмосферой вариации Тя и влияние поглощения в атмосфере на излучение океана определяются прежде всего параметрами Q, t^ и W [21,23, 36], что иллюстрируют расчетные спектры Тя(у) безоблачной стандартной (W = 13 кг/и1, кривые 1,2) и тропической (W = 59 кг/м2, кривые 5,6) и облачной атмосфер (кривые 3,4 и 7,8) (рис.2 [36]). Слоистая облачность (St, Sc, кривые 3,4) характеризуется следующими параметрами: Q = 0,1 кг/м2, ^бл = + 10°С, W = 13 кг/м2. Для мощной кучевой облачности (Си cong, кривые 7,S) - Q = 5,3 кг/м2, 1обл = +Ю°С, W = 68 г/м2. Для мощных облаков поляризационные различия на v > 40 ГГц очень малы из-за роста оптической толщи в направлении визирования.

При Q < 0,5 кг/м2 максимум вариаций Тя отмечается в диапазонах -25-5-50, 70-г-113 и 125ч-170 ГГц. При Q = 0,1-0,3 кг/м2 и toöji =±10°С яркостный контраст облачных участков относительно ясного неба составит (наблюдения в надир) -3-25К на v = 25-5-50 ГГц, -10-40 К на v = 75-5-110 ГГц и -5-35К на v = 125+155К. На горизонтальной поляризации соответствующие значения Тя вырастут до -6-40, 15-55 и 7-45К.

Рис. 2. Спектры яркостной температуры системы океан-атмосфера

при зондировании под углом 8 = 45° на вертикальной (-)

и горизонтальной (------) поляризациях.

В диапазоне v < 53 ГГц производная р(у) = сГГя(у)/д() монотонно растет с частотой до максимума при v = 43*45 ГГц. Затем значения р(у) падают из-за роста поглощения в кислороде. Уменьшение *обл с ДО -20°С сопровождается увеличением р(у) примерно в 1,6-2,2 раза . в зависимости от частоты. На V = 43 ГГц р « 60 К/(кг/м2) при ^бл = +10°С и -87 К/(кг/м2) при ^ = -20°С. При 0 = 45° значения р на вертикальной поляризации примерно такие же, как в надире, а на горизонтальной - в 1,5-1,6 раза больше.

В окне прозрачности 70+115 ГГц влияние вариаций ^д на Тя(у) и на р(у) снижается - особенно при положительных ^д. Важной отличительной особенностью является смена знака производной от отрицательного к положительному.

Максимальные значения р(у) = 100-140 К/(кг/м2) отмечаются при V = 87-100 ГГц. При 9=45° значения р(у) увеличиваются в 1,4-1,6 раза для горизонтальной поляризации и уменьшаются на 25% на вертикальной. В интервале 125-170 ГГц максимальные значения Р(*обл) меньше, чем на у = 70-115 ГГц, причем различие возрастает с уменьшением ^бл- Это объясняется совместным действием спектров

^^¡^^^¡¿^¡^ — " увеличением коэффициент*

за РО^^^ к рос, д падает из.

сперва в диапазоне ,25-3Г?ц з^ем ^ Р(У>

0 - в области 75-115 ГГ„ и и " "РИ дальнеЙшем

и /э I о 1 Гц и, наконец, при V < 45 ГГп ПА1

При определенной величине тЛЛ «, 1

гает максимума, после чего поГт п ^ РКОСТНаЯ темпеР^ означает, что в'се ^ Г"™"™Т«<У>-

более холодных слоях атмосфер Т^е ^1Ф°РМИРУеТСЯ 8 ВеР*'««. Даются в тропиках (облачнос^ь^астероГшК ТцГ^ ^ "аблю-

увеличении

дости-

Рис. 3. Спектры яркостной

180 v, ГГц

<м> И „к^о? ЖЗГй -Сфера

•/ •• «лииы на ттжией (< <\ ------

Цах атмосферы: ], 5 7 „ 9 - Т Д'« " ^^ (7"10) » ' " у 1« ~ ¿бЬК, станда—

' ^-26,5 кг/м2,

8 и 10 — Т0 = ,

^-^ «м ; 4 и 10 ~ *=« -м

меня^С~ » Тя(у)

рис- "оказывают спектр ярко-

— и.гаи1,фсры; 1, 3 7 „ 9 _ т _ 7й „ ' ч>*пп

^И кгМ 3 и 9 ~ ММ» 3"1о"пТ"?Т и, - +10-С (Си ,„е<1, 2, 4, 6, 8 „ ' ^ '

О ." 2 " ? - » - » «У* 4 и ,0 _ » - Ж"

стной температуры океана без учета (T„non(v) = k(v)Tg), а кривые 7-10 - с учетом (Тяпоп(у)е"т^) влияния атмосферы [12]).

Комплексные аэрокосмические исследования параметров и явлений в системе океан-атмосфера требуют проведения многочастотных измерений. Если в дециметровом диапазоне атмосфера слабо искажает спектр яркостной температуры океана, то на сантиметровых и особенно миллиметровых волнах вариации T„(v), обусловленные атмосферой, могут значительно превышать вариации T„(v) за счет изменения параметров океана [12,37,53].

1.5. Оценка минимального давления н стадии развития тропического циклона

Измерения восходящего излучения Земли в областях поглощения молекулярного кислорода используются для термического зондирования атмосферы (Кондратьев и Тимофеев, 1978). При изучении ТЦ особый интерес представляет регистрация тепловой аномалии в ядре AT(h) = ТЦ(Ь) - Тф(Ь), где Tu(h) и Тф(Ь) - вертикальные профили температуры воздуха в центре ТЦ и в невозмущенной атмосфере (фон) соответственно. Это обусловлено корреляцией между давлением у поверхности Рц и AT(h) (Gray, 1979), а также между амплитудой и высотой расположения максимума AT(h) и стадией развития ТЦ (Velden and Smith, 1984). Для начальных и конечных стадий развития ТЦ характерны меньшие значения AT(h) и расположение теплого ядра ближе к поверхности.

Для выбора оптимальных частот зондирования были проанализированы спектры Тя в диапазонах 52*59 и 117*118,6 ГГц для моделей AT(h), соответствующих тропической депрессии, тайфунам и супертайфуну (ураган Хильда), для случаев наблюдения со спутников (включая геостационарный), с высоко- и низколетящего самолетов и при ориентации антенны в верхнюю и нижнюю полусферы [40]. На частотах, где интегральное поглощение на луче зрения велико, Тя(у) практически полностью определяется восходящим излучением атмосферы [24]. Для более прозрачных участков спектра в расчетах учитывались все составляющие излучения [23].

Анализ расчетного материала показал, что между падением давления в центре ТЦ относительно фона АР — Рф - Рц и приращениями яркостной температуры AT„(v) имеется близкая к линейной зависимость

АР * Ь(у)ДТя(У). (9)

Минимальные значения коэффициента b(v) = 8-10 гПа/К отмечаются вблизи v = 54,4; 54,95 и 118,0 ГГц (0 = 45е).

При известном Рф и чувствительности радиометра 0,2-0,ЗК средняя квадратическая погрешность оценки давления в центре ТЦ по измеренному приращению ДТя(у) составит 2,5-4 гПа. Неопределенность значений a(v) из-за вариаций AT(h) может увеличить погрешность до -4-6 гПа. Для изучения начальных (конечных) стадий развития ТЦ зондирование следует вести в более прозрачных участках спектра. Измерения в двух частотных интервалах, например, 54-55,5 и 56-59 или вблизи 117,8 и 118,3 ГГц дают информацию о стадии развития ТЦ [40].

1.6. Моделирование наблюдении с модуля "Природа"

В 1996 г. шанируется^апускина^танцию-'^щэ"^ВЧ^адиомет^ рИческои системы "Икар-Г (проект "Природа"), включающей трассовые, панорамные и сканирующие радиометры для приема уходящего излучения Земли на нескольких длинах волн в диапазоне от 0,3 до 6 см на двух поляризациях. Было проведено численное моделирование измерений для оценки трансформации исходного распределения яркостной температуры Тя аппаратурой системы "Икар-Г [58].

Все каналы системы чувствительны к изменениям температуры воды t, скорости ветра и, водозапаса облаков Q и водосодержания слоя осадков R; вариации W требуют учета лишь на А, <2,25 см. Наиболее важные для имитационных экспериментов сведения о вариациях капельной влаги в атмосфере (пространственные градиенты Q -особенно конвективной облачности - и R заметно выше, чем W) были найдены по судовым измерениям приращений яркостной температуры облачной атмосферы относительно безоблачной ДТЯ(2,3) на X — 2,3 см(см. раздел 6.2). В сочетании с измерениями t и и это позволило рассчитать по соотношениям (5)-(8) Тя на других длинах волн с разрешением -0,5-2 км, соответствующим судовым наблюдениям. Профиль водности внутри облака a>(h) конструировался по модельным co(h) и измеренному значению т0бл(2,3) [58].

Из-за ограниченных размеров антенн и наличия интегрирующей цепочки (фильтра низких частот) на выходе радиометра регистрируемые на спутнике сигналы будут сглажены. В расчетах сглаживания использовалась одномерная симметричная модель диаграммы направленности антенны (ДНА) F(0) [55,58]. В логарифмическом масштабе ее главный лепесток описывался гауссовой кривой, боковые - линейной функцией, а задние имели постоянный уровень F„. Параметр эффективности антенны (доля мощности, принимаемая главным лепестком) был взят равным 85%. Сигнал на выходе антенны Та(х) (X-пространственная координата вдоль проекции ДНА на поверхности Земли) находился путем свертки функций Тя(х) и F(0). Для определения искажений, вносимых интегрирующей цепочкой с постоянной

времени 5, решалось дифференциальное уравнение, связывающее Та с сигналом на выходе радиометра [55].

Расчеты были выполнены для случаев пересечения массива мощной кучево-дождевой облачности протяженностью -50 км (измерения с НИС "Академик Александр Виноградов" в ЮжноКитайском море 1 июля 1987 г.) и холодного фронта (измерения с НИС "Академик Ширшов" в Восточно-Китайском море между 2б°с.шм 125°в.д. и 33°с.ш., 127°в.д. 27-28 октября 1986 г. - рис. 4) [58,61].

При измерениях со спутниковых высот пространственные вариации антенных температур и их отличия от яркостных заметно зависят от формы ДНА, прежде всего от ширины ее главного лепестка Д<р (рис. 4), влияние интегрирующей цепи существенно меньше. При малых 5, характерных для узких ДНА (к = 0,3; 0,8 и 1,35 см), это влияние пренебрежимо мало. Размеры пространственных вариаций яркостных температур ЛХ, которые могут быть идентифицированы после сглаживания, меняются от -10 (для сканирующих радиометров на X = 0,3 и 0,8 см) до 60-80 км (для трассовых радиометров на волнах 4 и 6 см). (Линейный размер элемента разрешения на поверхности Земли Ах для антенн комплекса "Икар-1" менялся от 5-8 (на миллиметровых волнах) до 50-75 км (в сантиметровом диапазоне). Если ДХ > Ах, то сглаженные и исходные экстремальные значения прираг щений Тя будут близки. При АХ = Ах, различие между ними может достигать 30-40% и возрастает при дальнейшем уменьшении АХ [58].

2. Определение параметров атмосферы

2.1. Интегральное поглощение атмосферы: паросодержание. во-дозапас и эффективная температура облаков

Анализ спектров поглощения атмосферных газов и облаков и яркостной температуры Тя(у) показывает, что по наблюдениям на трех частотах могут бьггь определены три интегральных параметра; W, Q И ^бл [7,10]. Вначале по значениям TH(vj), i = 1, 2, 3 находятся интегральные поглощения t(vj). Для этого необходимо знать эффективную температуру атмосферы, а при зондировании из космоса - и значения температуры поверхности океана и коэффициентов излучения (зависящих от ТПО и скорости ветра). (Значения т могут быть определены и по наблюдениям внеземных источников радиоизлучения {9]). В качестве решения системы уравнений

ФО = *ог (vi) + anap(vi)W + ao6fl(vi,tc&I)Q (10)

Ас? «9° АХ-«60 км

1,35 см

1,35 см,

О 100 200 300 400 500 600 700 800 х,км

Рис. 4. Модельные профили вариаций яркостной температуры системы океан-атмосфера, построенные по измерениям облачности на X = 2,3 сы, аэрологическим и гидрометеорологическим наблюдениям с НИС "Академик Ширшов" в Восточно-Китайском море 27-28.10.1986 г. при пересечении холодного фронта: а) зондирование в надир на волнах 6; 2,25; 1,35 и 0,8 см; б) зондирование под углом 8 = 42° на вертикальной (в) и горизонтальной (г) поляризациях на волнах 1,35; 0,8 и 0,3 см. Пространственное разрешение профилей 1, 3, 5 и 7 соответствует СВЧ-измерениям с НИС; кривые 2, 4, 6 и 8 иллюстрируют влияние антенного сглаживания.

принимаются значения 1обл ми1„ W(to6л.мml) и (Жбл.мин)» минимизирующие остаточную сумму квадратов:

S=|;{т(vi)-to2(vi)-[aпap(vi)W(toбл)+aoGл(v¡,toбл)Q(toбл)]}2. (11)

Значения 1о6л мнн, W(toбл.M1Ш) и О (^бл.мин) используются для расчета поправок на неизотермичность атмосферы в итерационной схеме. Наименьшая относительная погрешность ат/т отмечаются при 0,1 < т <0,6 Нп. При 21,5 < V < 45 ГГц т, равному 0,5-0,6 Нп, соответствуют XV = 50-г60 кг/м2 и <3 = 1-1,5 кг/м2. При атя = 1К и стт = ЗК ат/т ¿3-5%. Если частота V] выбрана в диапазоне 21,5-23 ГГц, а частота У2 - в диапазоне 32-45 ГГц, то ст, <0,01-0,02 Нп, а Су, < 2-3 кг/м2. Если у3 = 80-110 ГГц и 0,2 < Q < 1 кг/м2, то погрешность 1обл мин = 2-5 К и погрешность О не превышает 15-25%. Для облачности с > 1 кг/м2 при \У > 30-40 кг/м2 частоту уз целесообразно выбирать в диапазоне 42-47 ГГц.

Измерения на трех частотах снижают погрешности оценки XV и особенно по сравнению с двухчастотными. Параметры ^дл, XV и С) представляют самостоятельный интерес, а также используются в алгоритмах восстановления скорости ветра и ТПО.

Численные эксперименты с моделью переноса излучения для СВЧ-каналов системы "Икар-1" дают возможность разработать алгоритмы решения обратной задачи, учитывающий существенно меняющиеся в диапазоне 6 см - 3 мм РФ-параметры океана и атмосферы [65]. Алгоритм включает процедуру классификации состояния системы океан-атмосфера по измеренным и расчетным пороговым значениям Тя(у,), введение априорной информации о ТПО. После разбиения на классы определяются скорость ветра и интегральное поглощение в капельной влаге (облачность и осадки) на одном из каналов 6, 4 или 2,25 см, уточняется значение ТПО. По данным о т0бл выделяются области с осадками, а для остальных районов находятся значения О и *обл с использованием оценок и и ТПО. Параметры атмосферы, в свою очередь, служат основой для уточнения значений скорости ветра и ТПО в итерационной схеме.

2.2. Электрическая толща атмосферы

Изучение динамических явлений и процессов в океане синоптического масштаба (течения, вихревые образования) методом спутниковой альтиметрии требует точного определения вариаций фазового запаздывания радиоволн в атмосфере. Для влажной составляющей фазового запаздывания ДЬвд была получена следующая формула [2]:

Д1™ = 172(1+Ь)\У/Г0 [см],

(12)

где Т0 - температура воздуха у поверхности; Ь - коэффициент, зависящий от вертикальных профилей температуры и влажности воздуха; Ь = 0,02*0,06, Ьср = 0,04+0,045.

Вариации ДЬ^ определяются преимущественно изменчивостью паросодержания атмосферы и лежат в пределах 2-40 см.

Запаздывание в облаках пропорционально водозапасу облачности и зависит от ее эффективной температуры

ДЬобл = ФК^блЛЭЮ- (13)

Значения ДЬ0бл Даже для облачности с 0 = 5 кг/м2 не превышают

1-1,5 см. _______

___СЩградшшетричеекие-оцетпШТщтсграл ьных параметров WиQ

позволяют вычислить вариации длины пути радиоволн в атмосфере с погрешностью 1-2 см [2]. (Опираясь на соотношение (12), можно сформулировать и обратную задачу: определение XV по измерениям фазового запаздывания радиоволн [13]).

2.3. Озон и малые газовые составляющие атмосферы

Возможности мониторинга содержания озона в атмосфере методом СВЧ-радиометрии были оценены по расчетным спектрам поглощения т(у) для наиболее сильных линий озона в диапазоне 140-610 ГГц [20]. При стандартных профилях температуры и давления значения т(у) для среднего вертикального распределения озона, характеризуемого интегральным содержанием О. = 0,35 см, менялись от 0,066 до 0,89 Нп. Для различных резонансных переходов озона было проанализировано влияние на интегральное поглощение неопределенности в значениях полуширины линии, вариаций вертикальных профилей температуры, давления и озона, оценен относительный вклад различных слоев атмосферы в значения т(у). Было показано, что измерения т(у) с помощью широкополосного (300-500 МГц) ра. диометра дают возможность оценивать П с погрешностью 10%, если ошибка в значениях температуры не превышает 3-4К [20]. Оценка параметров вертикального распределения озона может осуществляться по данным спектральных измерений с помощью многоканального радиометра.

При измерениях с Земли необходимо вподить коррекцию на величину фонового поглощения атмосферы т,|, (поглощение в водяном паре и облаках). При Тф < 1 чувствительность СВЧ-метода оценки П увеличивается при ориентации антенны радиометра под зенитным углом 20пт, величина которого определяется т(у) и Тф. При т(у) « Тф г^пт = агсБес [1Дф (у)] [4]. Наблюдения с самолета позволяют снизить мешающее влияние атмосферы и улучшить оценку

Q. С увеличением высоты значение Тф уменьшается и оптимальный угол приближается к горизонту. Кроме озона, в верхней атмосфере имеются и другие газы с резонансными переходами в СВЧ-диапазоне. Оптимальные условия их наблюдения при спектральных измерениях как собственного радиотеплового излучения атмосферы, так и излучения внеземного источника определяются соотношением между фоновым поглощением и поглощением в линии [4J.

3. Макро- и мезомасштабные особенности поля приводного ветра

3.1. PJI-зондирование приводного ветра

Синоптическая и мезомасштабная изменчивость ветра в различных погодных системах была исследована по данным спутниковой РЛС БО, сочетающей широкую полосу (460 км) с высоким пространственным разрешением (-1-3 км). Большинство РЛ-изображений было получено над акваторией Тихого океана. При их интерпретации использовались данные судовых наблюдений, синоптические карты, карты волнения и ветра и спутниковые снимки облачного покрова (Ветлов и Вельтищев, 1982). Совместный анализ всех видов данных углублял представление о характере атмосферных процессов.

При количественных оценках приводного ветра использовались аппроксимационные формулы из [52]. Зависимость удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) а° морской поверхности от скорости U и направления ветра описывалась соотношениями (14) и (15) (Moore and Fung, 1979)

а° = 10[G(A.,p,<p,e)+H(A.,p,q>,ö)logu], (14)

<т° = Ao+Aicoscp +A2COs2<p. (15)

где коэффициент G и показатель степени Н зависят от длины волны X, поляризации р, угла зондирования 9 и азимутального угла ср (угла между плоскостью РЛ-зондирования и направлением, противоположным вектору ветра).

Влияние атмосферы приводит к ослаблению РЛ-сигналов, рассеянных морской поверхностью. При двукратном прохождении через облако с водозапасом Q интегральное поглощение составит: *обл= 0,19a(to6ai)Qsec8, где а = 0,65 при t^ = 15°С, а = 1 при *обл=0°С и а = 1,7 при tofo = -150C. Для мощной облачности (О = 5-г-Ю кг/м2, t^jj = 0°С) тобл= 1,5-3,0 дБ (при 6=45°). Такие облака на фоне взволнованного моря будут выделяться по пониженным значениям а° (по потемнениям на РЛ-изображениях) [52].

Учет влияния осадков более сложен, так как крупные капли при сильных дождях становятся рассеивающей средой, затрудняющей

оценку вклада морской поверхности в интенсивность РЛ-сигнапа, принятого на спутнике. Однако относительная доля площади, где необходимо учитывать рассеивание в атмосфере, не превышает 0,3-0,5% [52].

3.2. Атмосферные фронты и циклоны

Атмосферные фронты. РЛ-изображения позволяют определить положение фронтальных разделов над океаном, оценить изменение характеристик ветра в зоне фронта. Были выявлены области с резкими градиентами ветра - до 5-10 (м/с)/км, указывавшие положение фронта. На фронтальных разделах в ряде случаев были видны мезо-масштабные волны, которые, возможно, отмечали начальную стадию — -развития циклона^ В поле ветра в холодном секторе были зарегистрированы ориентированные по ветру мезомасштабные упорядоченные структуры, что позволяло уменьшить погрешность оценки скорости ветра [33,38,42,52,62 ].

Анализ РЛ-изображений океана, полученных при различных стадиях фронтального циклогенеза, позволил выявить особенности поля приводного ветра и их связь с образами облачности.

В стадии волнового возмущения ярко выраженные параметры фронтов - горизонтальный контраст температуры и сдвиг ветра - существуют не всегда, что отображается и в поле яркости РЛ-изображе-ния. Темное пятно с размытыми границами в вершине волны обычно отмечает область со слабыми (< 5 м/с) ветрами. В стадии молодого и особенно развитого циклона положение фронтальных разделов обычно совпадает с 'зонами перепада яркости на РЛ-изображениях, обусловленных изменением скорости и направления приводного ветра. Скорость ветра меняется от < 5 м/с (в центре циклона) и 5-7 м/с (в теплом секторе между теплым и холодным фронтами) до 15-20 м/с (в передней и тыловой частях холодного сектора перед теплым и за холодным фронтами соответственно). Для неглубоких циклонов заметные перепады скорости ветра в направлении, перпендикулярном линии холодного фронта, наблюдались не всегда [52]. Узкие яркие полосы и их фрагменты, обрамленные РЛ-тенью, отмечали положение зон осадков с интенсивностью выше 15-20 мм/ч (Пичугин и Спиридонов, 1985).

Начало окклюдирования циклона обычно совпадает с его максимальным развитием. В центре, как и раньше, и < 5 м/с. Фронт окклюзии выглядит узкой (30-50 км) темной (и < 5 м/с) полосой на ярком фоне. Ориентация полосы на РЛ-изображении совпадает с облачной спиралью на ИК-изображении. Постепенное изменение яркости (скорости ветра) в зоне холодного фронта затрудняет определений его положения. Процесс оккклюдирования сложен и происходит по-разному в циклонах, отличающихся условиями существования, развитием, интенсивностью и другими характеристиками. В частности, на

РЛ-изображении окклюдированного циклона над Охотским морем зона со слабыми (<5 м/с) ветрами размером -20x25 км была смещена на -25 км относительно безоблачного пространства в центре, что свидетельствует о наклоне оси циклона к югу. Примечательной особенностью являлась секторная структура поля ветра: скорость ветра менялась на границах секторов, оставаясь постоянной » их пределах. На синхронном видимом изображении с ИСЗ "Космос-1500" границам секторов соответствовали облачные гряды с более развитой конвекцией [38,62].

Тропические циклоны. Размеры ТЦ меньше, чем циклонов умеренных широт. Давление в центре ТЦ падает до 900 гПа и ниже, скорость ветра достигает 50 м/с и выше, часто наблюдаются интенсивные осадки (Риль, 1984). Для изучения процессов в ТЦ пространственное разрешение должно составлять 2-5 км в активной зоне и 10-50 км на периферии (БЬепк е1 а1., 1987), что обеспечивает РЛС БО.

Из анализа РЛ-изображений и сопутствующей информации следует возможность изучения структуры полей приводного ветра, облачности и осадков в ТЦ, в том числе и в области мезомасштабов. В ТЦ "Ида" (10.10.1983 г. он располагался к югу от о. Хонсю) атмосфера практически не влияла на вариации яркости РЛ-шобраасения; слабые осадки отмечались только в отдельных местах. Зона очень сильных ветров (и ~ 30 м/с) охватывала площадь -70x200 км2 и располагалась в правом тыловом квадранте [41,52].

Анализ двух РЛ-изобра:хеннн урагана "Диана" у побережья Северной Америки за 11-12.09.1984 г. показал, что координаты центра, средняя скорость и направление перемещения ТЦ точно определялись по положению обладавшей большим РЛ-контрастом области со слабыми ветрами размером -14 км. Эту область окружало светлое кольцо шириной -4-6,5 км, где скорость ветра резко возрастала. Следующее за ним темное кольцо переменной ширины (1,5-6 км) отмечало зону мощной облачности и осадков, которые эхранировалн поверхность океана. Еще дальше от центра ТЦ вариации яркости РЛ-изображений были обусловлены, в основном, изменчивостью приводного ветра и только в некоторых местах - появлением ориентированных по спирали дождевых ячеек [41,52].

3.3. Полярные и конвективные вихри: цепочки вихрей

Из-за небольших размеров (от нескольких десятков до 500600 км), быстрого развития и редкой сети контактных измерении над океаном основой для анализа формирования и развития полярных и других мезовихрей служит спутниковая информация. Наиболее репрезентативными характеристиками мезовихрей, позволяющими их идентифицировать, служат облачность, быстро реагирующая на измените поля скоростей в атмосфере, и шероховатость морской поверхности, определяемая скоростью ветра.

Облачный покров циклонических вихрей, формирующихся в зимнее время в полярных воздушных массах, имеет форму запятой или спирали. В ряде случаев на спутниковых изображениях полярных циклонов (ПЦ) наблюдаются "ураганоподобные" спиральные облачные полосы, и центре которых находится безоблачное пространство (глаз бури) диаметром 20-100 км. При прохождении ПЦ скорость ветра у поверхности моря может возрасти до 30 м/с и более. Конвективные облачные вихри, как правило, состоят из чередующихся облачных и безоблачных спиралей и имеют небольшие горизонтальные градиенты температуры и давления. Цепочки мезовихрей обычно возникают при взаимодействии потока воздуха с неоднородностями берегового рельефа. Вихревая структура проявляется и в поле облачности, !! в_ _поде приводного ветра. —--

При анализе РЛ и оптических изображений и сопутствующей информации выявлены следующие особенности мезовихрей над океаном [42,52,62,64):

- слабые ветры в безоблачной области в центре;

- резкие градие: гш скорости ветра в области атмосферных фронтов, отдельных более мощных конвективных облачных полос и гряд;

- т&сиая корреляция полей приводного ветра и облачности, отражающая сьязь процессов на нижней и верхней границах пограничного слоя атмосферы;

- осадки небольшой интенсивности, не проявляющиеся на РЛ-изображениях;

3.4. Мезомасщтабные конвективные гряды и ячейки, подветоен-

Ка РЛ-изобрикениях океана, особенно полученных в осенне-зшпигй сезон, часто наблюдались мезомасштабные регулярные структуры. На близких по сроку видимых или ИК-спутниковых изображениях были видны мсзсмасшгабиые конвективные ячейки (МКЯ) и грэды, которые возникают б сравнительно тонком, неустойчиво стратифицированном пограничном слое атмосферы над океаном.

Гряды облаков ("облачные улицы") образуются при двухмерной конвекции. Дяшга волны в грядах (облачная полоса плюс безоблачное пространство) меняется от < 1 до 20-30 км. Причиной появления линейно-периодических структур в полях облачности и приводного ветра могут быть также атмосферные внутренние гравитационные волны, образующиеся с подветренной стороны препятствий (при-брежные хребты, острова) при взаимодействии с ними устойчиво стратифицированного воздушного потока.

Ячейки МКЯ наблюдаются в виде открытых и закрытых циркуляционных систем и имеют горизонтальные размеры 10-100 км (Встлов и Вельтащев, 1982; Agee, 1987). Образованию гряд облачности и МКЯ сопутствуют повышенные скорости ветра у поверхности океана. что в сочетании с большой разницей температур воды и воздуха

(при холодных вторжениях) при-водит к резкой интенсификации взаимодействия между океаном и атмосферой.

Совместный анализ оптических и РЛ-изображенин выявил аы-сокую корреляцию процессов на верхней и нижней границах пограничного слоя атмосферы, проявляющихся соответственно а полях облачности и приводного ветра. Мезомасштабныс вариации ветра отчетливо отпечатываются на РЛ-изображениях: в районах с грядами - в виде полос переменной яркости (шероховатости поверхности), в районах с МКЯ - в виде кольцевых и серповидных структур различных размеров, совпадающих с отдельными ячейками [33,38,42,52,59,62,67].

Указанные структуры в поле яркости РЛ-изображениий океана были объяснены при расчетах УЭПР по формулам (14) и (15). Поле ветра аппроксимировалось двухкомпонентной моделью в виде основного потока с постоянной скоростью и0 и наложенной на него мезо-масштабной циркуляцией им(г). Мезомасштабная циркуляция описывалась гармонической или линейно-ломаной функцией расстояния г от оси гряды или центра ячейки (осесимметричнля модель). Варьировались скорость-основного потока (5*15 м/с), вид аналитической зависимости им(г) и амплитуда мезомасштабной циркуляции (имо = 1-5 м/с), а также угол между плоскостью РЛ-зондирования и основным потоком р [52,59,67]. По этим данным были найдены результирующая скорость ветра иг(г) и угол ф.

Экстремальные значения а" отмечаются п тех частях ячеек, где мезомасштабный поток складывается с синоптическим или вычитается из него. С усилением мезомасштабной циркуляции (ростом им) РЛ-контраст между различными частями ячейки возрастает. При прочих равных условиях РЛ-образы МКЯ и значения экстрелтумов сг° заметно зависят от угла (5 (рис.5 [59]). Изменения РЛ-контрг.ста Дст° = ст°шах - ст°п,;п в зависимости от [3 составляют ~1 дБ. Когда Р к ±90°, изолинии а° вогнуты и РЛ-образы открытых ячеек имеют серповидную форму. При других (5 вогнутость выражена слабее.

При постоянстве циркуляции внутри открытой ячейки и уменьшении и0 значения сг° уменьшаются и РЛ-образы ячейки трансформируются. Края серпов заметно искривляются навстречу основному потоку. Более контрастно выглядит зона с низкими значениями ст° в наветренной части ячейки, особенно когда результирующая скорость ветра ниже пороговой. На РЛ-изображениях соответствующие участки морской поверхности выглядят как темные пятна и обеспечивают более высокий контраст подветренных частей ячеек, где основной поток складывается с мезомасштабным.

Рис. 5. Распределение УЗПР (в дБ) внутри открытой ячейки при 0 = 30°: (а)-(б) и0 — 15 м/с, имо = 5 м/с: (а) р = 0°, (б) Р = 90° и (в) р = 135°; (г) и0 = 5 м/с, имо = 5 м/с, Р - 270°. иг - результирующая скорость ветра вдоль ссчения А-В.

В естественных условиях циркуляция воздуха в грядах и МКЯ в большей или меньшей, степени отличается от модельных представлений. В частности,.форма ячеек искажается под влиянием общего переноса, взаимодействия между циркуляционными потоками соседних ячеек, сочетания ячейковых структур с грядовыми к т.д. Это предопределяет разнообразие РЛ-образов МКЯ, что следует учитывать при интерпретации вариаций яркости РЛ-изображений [52,59].

3.5. Поле акустических шумов океана: оценка пространственно-временной изменчивости по спутниковым данным

. Для оценки средней и флуктуационной составляющих акустического поля и динамических шумов в океане - особенно на протяженных трассах и в районах с повышенной изменчивостью гидрометеорологических параметров - целесообразно в качестве предикторов использовать оперативную спутниковую информацию о полях температуры, характеристиках ветровых и внутренних волн, течений и фронтальных разделов, процессах возникновения и эволюции вихрей, зонах выпадения осадков и ледовой обстановке. Спутниковая информа-

ция служит основой для оценки акустической "погоды", которая может существенно отличаться от акустического "климата" [26,27].

Зоны с резкими градиентами » организованными мсзомасштаб-ными структурами в поле ветра, выя&тенные по РЛ-изображенням, должны быть выражены и в поле подводного шума океана, которое функционально связано с ветром. Источником шумового ихпучения служит вся поверхность океана, однако из-зл потерь распространения звука основной вклад (>70-80%) в регистрируемую на глубине интенсивность шума дает ограниченная область, площадь которой уменьшается с ростом частоты. На частотах Г > 1-2 кГц радиус шумящей области й 2-3 км (Farmer and Vagle, 1988). Оценки показали, что средние значения и в пределах шумящей области и элемента разрешения РЛС БО близки и для неоднородного поля ветра [50]. Поэтому спутниковые определения скорости ветра могут быть использованы для анализа пространственной структуры шумов.

Из экспериментов следует, что спектр подводного шума 1(0 = D(f)um. В среднем m = 2 и зависит от стабильности атмосферы, диапазона изменения и и т.д. Из-за трудности получения абсопгатных значений 1(f) были найдены приращения шумового сигнала

Al(f) = 101og[I(u)/I(5,5)]m (16)

относительно опорного уровня, соответствующего и = 5,5 м/с.

Синоптические поля подводного шума были рассчитаны по РЛ-изображениям холодного фронта и ТЦ в Тихом океане [60]. Скорость ветра при пересечешш фронта резко снижалась с 20-22 до 2-5 м/с. Направление ветра определялось по вытянутым' полосам переменной яркости на РЛ-изображении [52]. Приращение уровня шума перед фронтом относительно опорного уровня составило 11-12 дБ (т — 2). За линией фронта значение 1(f) было ниже этого уровня на 1-9 дБ. Ширина зоны между областями с различным уровнем шума должна • бьпъ практически такой же, как и на РЛ-изображении.

Тропические* циклоны являются мощным источником акустического шума из-за штормового ветра и дождя. Поле ветра тайфуна Ида было рассчитано по РЛ-изображению с усреднением по полугрздус-ным квадратам [41,52]. Поле приращения уровня шума было найдено по формуле (16). Максимальное приращение Д1(1) = 14-15 дБ (ш " 2) наблюдалось в области с максимальной скоростью ветра (и = 28-30 м/с). Конфигурация линий 1(0 - const была такой же, как у изотах [60].

Мезомасштабные вариаций подводного шума были оценены для ситуаций с МКЯ. Согласно наблюдениям, и0 — 8,5 м/с в закрытых ячейках и 14 м/с - в открытых (Похил, 1985). Амплитуда мезомас-штабных вариации была взята равной ±2 и ±5 м/с. Вариации 1(0 в пределах МКЯ составили 2,3 и 11,7 дБ (закрытая ячейка) и 1,3 и 6,5 дБ (открытая ячейка) (ш = 2). Для ячеек размером D = 20+40 км

средний период вариаций уровня шума D/2uc = 20-40 мин (и0 - 8,5 м/с) и ~ 12-25 мин (и0 = 14 м/с) [50,60].

Сезонные вариации интенсивности шума были рассчитаны по распределениям скорости ветра и толщины слоя осадков над Тихим и Атлантическим океанами, полученным при обработке данных спутниковых радиофизических измерений и дополненных материалами контактных наблюдений (Sandwell and Agreen, 1984).

Вклад пстра в интенсивность шума находился по формуле (16) при m ~ 2. Значения и снимались с карт с усреднением по площади 2" широты и 5е долготы. Сезонная изменчивость шума вычислялась для частот I, 5 и 15 кГц [49]. Максимальная средняя интенсивность-шума отмечается зимой в северной Атлантике, где и0 =1_4,м/с._ Ha ce-— вере Тихого о;:с.".на ий-- 12 м/с, и значенияТ(0 на 1,5-2 дБ ниже. Летом в северных частях океанов и0 = 8*10 м/с, и значения 1(0 на 3-5 дБ ниже зимних. В экваториальной зоне зимой и летом ий ™ 4 и/с, что приводит к уменьшению уровня шума по сравнению с высокими широтами на 10-16 дБ зимой и на 5-10 дБ летом. В южных широтах сезонная изменчивость 1(0 ниже, чем в северных, и не превышает 2,5 дБ.

4. Океанологические явлепия

Океанологические явления и процессы часто обнаруживают себя по изменению характеристик поверхности: спектра волнения, температуры, концентрации пленок ПАВ (сликов), ценообразований и др. (Моник и Крастщкнй, 1985). Эти изменения влияют на излучательные к отражательные свойства поверхности океана, которые могут быть зарегистрированы радиофизическими методами.

4.1. Слнкн

Даже тонкие пленки природных ПАВ уменьшают спектральную плотность гравитационно-капиллярных волн и, следовательно, влияют на СВЧ-излучение и радиолокационные характеристики океана. Повышенная концентрация сликов наблюдалась в области океанических фронтов, при пересечении пакетов внутренних волн, а также была связана с загрязнением поверхности моря нефтепродуктами. Указанные области регистрировались с. борта НИС навигационными радиолокаторами (Я. = 3 и 10 см) и СВЧ-радиометрами (к = 2,3 и 1,35 см) [43].

Численные эксперименты показали, что для обнаружения и оценки параметров пленок малой толщины (-0,01-0,05 см) измерения следует вести в окне прозрачности атмосферы 80-110 ГГц, где контраст загрязненных участков моря АТяпов(у) = Ак(у)Т0, определяемый разностью коэффициентов излучения загрязненных и чистых

участков Ак(у) и температурой воды Т0, может достигать -15-10К. В диапазоне 30+40 ГГц контраст падает до 3-15К. Слой эмульгированной нефти будет иметь более высокий контраст: вода увеличивает эффективную диэлектрическую проницаемость слоя [5,11,12,22].

С ростом ихлучения атмосферы (интегрального поглощения на луче зрения) и высоты наблюдения приращения ДТя(у), регистрируемые радиометром, снижаются. При измерениях с небольших высот под углом ф = О^-бО0 в условиях стандартной атмосферы значения ДТя(у) ниже АТЯП0В(у) на 10-20% (V = 40 ГГц) и на 25-45% (V = 80 ГГц). В тропиках (\У = 40 кг/м2, (3 = 1 кг/м2) снижение составит 33 и 65-70% (ф = 0е) [5].

4.2. Внутренние волны

Наблюдения ВВ с применением СВЧ-радномстров, судовых навигационных и спутниковых РЛС проводились в Андаманском и Восточно-Китайском морях и в открытых районах Индийского океана [43,66,69]. Судовая РЛС кругового обзора (X ~ 3 см) обеспечивала регистрацию неоднородностей шероховатости .».горской поверхности. Радиометры принимали излучение океана и атмосферы на волнах 2,3 и 1,35 см. При наблюдении моря под углом ф от надира приращения яркостной тештературы полос толчеи и участков с выглаженными мелкомасштабными ветровыми волнами (слики) относительно фоновой области могут быть представлены в виде

Д-Р/ (X, ф) - Дкг^\,Ф)[Т0 ± Тязтм(Ь,е)], (17)

где Дк(Я,ф) - разность коэффициентов излучения участков моря с аномалиями физических характеристик и фоном, Т0 - температура воды, 9 = 90°- ф - угол места.

Для полос сликов значения Ксл(?цф) на горизонтальной поляризации будут ниже, чем в фоновой области. На вертикальной поляризации Ксл(?-,ф) < лишь при ф й 53*57°. Для полос толчеи соотношения будут противоположными.

При измерениях с НИС "Академик Александр Несмеянов" в Андаманском море в феврале и апреле 1985 г. скорость ветра была равна 4-5 м/с, фаза прилива близка к сизигийной. Регистрация вариаций Т„, обусловленных ВВ, велась на X = 2,3 см на вертикальной поляризации под углом 75+5°. Излучение атмосферы измерялось на X = 1,35 см под углом 9 = 15±5°. Ориентация полос сликов и толчеи и расстояние между ними определялись навигационной РЛС. Привязка положения полос на поверхности к процессам в толще океана проводилась по колебаниям звукорассеивающих слоев, фиксируемых эхолотом. Вариации Тя из-за модуляции шероховатости поверхности

менялись от 0,5 до 5К. Длина ВВ составляла -1,8-2,2 км. Некоторые полосы толчен отличались повышенной интенсивностью, проявлявшейся в усилении волнения и обрушении волн, и имели ширину > I км. Расстояние между полосами толчеи достигало 16-18 км.

На РЛ-изображениях Андаманского моря . за январь-апрель 1985 г. ("Космос-1500") видны пакеты ВВ, состоящие из 4-5 дугообразных, более светлых (более шероховатых) по сравнению с фоном полос шириной -1 км, отстоящих друг от друга на 8-12 км. Длина гребней в пакетах превышала 100-120 км. Первая полоса выглядела ярче и шире последующих и была расположена дальше от второй полосы, чем вторая от третьей, что свидетельствует о нелинейном характере обнаружепных солитоноподобных ВВ.

4.3. Синоптические вихри и течения на спутниковых РЛ-изображениях

В экспериментах по зондированию океана спутниковым радиолокатором с синтезированной апертурой (РСА) были обнаружены аномхиш шероховатости поверхности, коррелированные с динамическими явлениями в океане: течениями, вихревыми образованиями и др. (Fu and Holt, 1982). Аналогичные аномалии были обнаружены PJIC с реальной апертурой при анализе близких по срокам РЛ- и ИК-изображеняй субарктической фронтальной зоны к востоку от Японии [51,52,54]. Взаимодействующие здесь воды течений Куросио и Ойясио резко отличны по своим физическим, химическим и биологическим свойствам. Для зоны характерны высокие градиенты ТПО, доходящие до 5-8°С и больше на расстоянии 4-10 км. Температурные контрасты приурочены к границам основных течений, струйных ответвлений и вихревых образований и при отсутствии облаков хорошо видны на ИК-нзображениях. Абсолютная привязка значений температуры воды осуществлялась по трехдневным картам ТПО Японкою рыболоького ннформащюнного центра.

Более теплые воды выделялись по повышенным значениям яркости (УЭПР). Соответствие полей сг° и t прослеживалось в широком диапазоне пространственных масштабов, охватывавшем течение Куросио и окружающие его воды восточнее о. Хонсю (при весеннем продвижении вбд Куросио к северу), антициклонические синоптические вихри Куросио, вихревые образования меньших размеров, перемычки и струи. Корреляция полей о° и t отмечалась при скорости приводного ветра <7-8 м/с [52,54].

Для вихрей, образующихся в межфронтальной субарктической зоне Куросио и восточнее Курильских о-вов, характерна спиралевидная структура (Лобанов, 1988), хорошо видная в поле ТПО на ИК-нзображениях. Проявлялась она и в поле яркости РЛ-изображений, хотя и менее отчетливо [52]. В ряде случаев на РЛ-изображениях вихревое образование было окружено темным кольцом, что облегчало за-

дачу обнаружения. Наличие динамических океанологических явлений было также подтверждено спутниковыми видимыми изображениями (по распределению яркости в области солнечного блика, коррелированному с ИК-изображением) и судовыми измерениями ТПО и поверхностных течений [54].

Корреляция полей яркости на РЛ- и ИК-изображениях свидетельствует о связи волн ряби с ТПО. От температуры зависят два параметра воды, определяющие спектр гравитационно-капиллярных волн, - коэффициент поверхностного натяжения и кинематическая вязкость V. Уменьшение V с ТПО означает уменьшение минимальной скорости ветра и0(А), при которой начинают образовываться поверхностные волны длиной А = Х/(2з'тв), удовлетворяющие условию резонансного рассеяния. Оценки показывают, что вариации Ь будут сказываться на значениях ог° не только при и а и0, но и при и > 3-5 м/с [52,54].

На корреляцию полей ст° и I значительно сильнее могут повлиять различия в концентрации ПАБ взаимодействующих водных масс. В частности, концентрация планктона в холодных субарктических водах может быть более чем на порядок выше, чем в теплых водах Куро-сио и фронтальных водах. Продуктом жизнедеятельности и разложения планктона являются пленки ПАВ, которые эффективно гасят волны ряби.

Из косвенных механизмов, объясняющих рост а° более теплых водных масс, следует выделить образование над ними неустойчивой стратификации атмосферы. Из факторов, не связанных с I, сильное влияние на а0 могут оказать течения, скорость которых в синоптических вихрях, струях и основной ветви Куросио составляет 1-2 м/с. Неоднородности течения при и = 2-7 м/с вызывают в силу нелинейных эффектов резкое (на 2-3 порядка) изменение спектральной интенсивности капиллярно-гравитационных волн.

При и ¿7-10 м/с распределение яркости РЛ-изображения есть результат суперпозиции океанологических и метеоролопгческих факторов. В частности, на РЛ-изображения вихрей к востоку от о. Хонсю были наложены полосы переменной яркости, вызванные гравитационными волнами в атмосфере, и серповидные структуры, обусловленные ячейковой конвекцией [52,54,62].

5. Однолетний морской лед

Исследование льдов ДВ морей проводилось, главным образом, на основе анализа спутниковых РЛ-изображений в сочетании с другими видами контактных и дистанционных измерений. Разнообразие РЛ-характеристик льда определяется вариациями шероховатости,

рельефа и внутренней структуры, которые постоянно меняются при росте и разрушении льда. Существенный вклад в это разнообразие вносят пространствснно-врсменные вариации толщины и состояния снежного покрова [56,63].

На ДВ морях наблюдаются только молодые и однолетние льды, характеризующиеся высоким содержанием рассола, а следовательно, и высоким поглощением РЛ-сигналов. В результате глубина проникновения электромагнитной волны в лед не превышает "к/б. УЭПР таких льдов определяется главным образом геометрическими характеристиками поверхности, зависящими от района и условий формирования льда. На УЭПР влияет также влажность верхнего слоя льда, толщина и состояние (сухой или влажный) покрывающего его снега [52,56763].

На ДВ морях процесс льдообразования происходит в течение всей зимы как внутри уже существующих ледяных массивов и в при-кромочной зоне, так и в прибрежных районах. Прохождение глубоких циклонов, сопровождающееся штормовыми ветрами, значительным выносом тепла и активным перемешиванием поверхностных слоев вода, прерывает кли замедляет этот процесс [46,56].

Под влиянием сильных ветров положение кромки льда и структура прззеромачной зоны существенно меняются [52,57]. В отсутствие ветра морской лед является трассером поверхностных течений. В при-кромочной зоне наблюдаются разнообразные организованные структуры: вихревые образования, узкие концентрированные потоки в форме протуберанцев и др. (Федоров и Гинзбург, 1988; [52,57]).

5,1, Дешифрирование РЛ-нзсбрпхещй

Из анализа дашшх спутниковых и самолетных РЛ-измерений следует, что значения УЭПР начальных, молодых и однолетних льдов сильна кзмеп-швы и простая связь между а° и типом лада отсутствует. Была показано, что при дешифрировании РЛ-изображений необходимо учитывать географическое положение, синоптические условия и состояние моря в исследуемом районе, местное время и сезон проведения измерений, угол падения РЛ-сигналов, степень сфокусированности антенны (резкость изображения), наличие помех. Правильность дешнфрлгрования возрастала при наличии близких по срокам спутниковых видимых и/шш ИК-изображений, синоптических карт (в том числе и полученных за предшествующие сроки), данных самолетной ледовой разведки.

Данные авианаблюденнй позволили оценить изменчивость РЛ-контрастов льдов. В зависимости от РЛ-характеристик морские льды были разделены на три группы [56]. В первой группе были объединены начальные виды льда и темный нилас. Как правило, эти льды обнаруживаются по отрицательным РЛ-контрастам на фоне взволнованного моря и других типов льда или вообще не обнаруживаются.

При маловетренной погоде участки, покрытые шугой и снежурой, могут обладать положительным РЛ-контрастом.

Для светлого ниласа и серых льдов (вторая группа) характерен широкий диапазон изменения УЭПР, что определяется вариациями мелкомасштабной шероховатости поверхности льда. Так, блинчатый лед имеет большое количество сантиметровых неоднородностей и на РЛ-изображениях выглядит ярко.

Третью группу составляют серо-белые и однолетние льды. Зимой их РЛ-контрасты, как правило, невелики. Однако в весенний период, при влажном снежном покрове значения а° возрастают, что упрощает анализ ледовой обстановки.

Особенности ледяного покрова дальневосточных морей, выявленные с использованием РЛ-нзображеиий, сводятся к следующему [35,46,56,57].

Образование льда как у побережья, так и на значительном расстоянии от него. Развитие ледяного покрова в сторону открытого океана со скоростью до 15-70 км/сутки при низкой температуре воздуха, слабом и умеренном ветре.

Повышенные значения УЭПР прикромочной ледовой зоны из-за преобладания мелкобитой фракции льда. Высокий РЛ-контраст блинчатого льда (светлый нилас, серый лед) на фоне темных полос и пятен, наблюдаемых в зонах, покрытых ледяным салом и темным кидасом. Сильная изрезанность кромки.

Образование во второй половине зимы в Охотском и Беринговом морях под влиянием термшеских и динамических факторов полей белого лада, обрамленных начальными, ниласовыми и серыми льдами. Отображение этих полей на РЛ-изображениях в виде темных пятен (значения ст° малы), окруженных яркими тонкими ободкам^ (значения ст° высоки). Рост шероховатости и УЭПР с началом таяния, появлением свободной воды и разрушением белого льда под влиянием инсоляции и роста температуры.

Значительные по амплитуде и быстрые вариации о° в зонах постоянного обновления ледяного покрова: на севере Охотского моря у прибрежной полыньи, у северо-восточного берега Сахалина з зоне сжатия льда), в зал. Терпения, в районе банки Кашеварова и в ряде других. Смещение кромки льда под влиянием циклонических возмущений на 50-100 км.

Постоянно высокий РЛ-контраст серых льдов у западного побережья Камчатки, едва различимых на МСУ-М-изображениях. Образог вание здесь льда в апреле.

Отсутствие ниласовых льдов у кромки льда в Беринговом море, формирование их преимущественно у побережья.

5.2. Организованные движения и прикромочной ледовой зоне

Процессы п прикромочной зоне, воздействие течений, топографии дна и атмосферных возмущений приподят к генерации в океане разнообразных организованных структур, трассером которых выступают плавучие льды. К наиболее распространенным формам этих структур относятся: полосы и струн льда, волновые образования на ледовой кромке, вихревые и грибовидные образования (Федоров и Гинзбург, 1988). Большая их часть наблюдалась весной, когда циклоническая деятельность ослабевала, лед интенсивно разрушался и количество киласа и серого льда резко уменьшалось.

РЛ-изображения плавучих льдов выявили зоны устойчивых вихревых движений воды б районе банки Кашеварова, в северной части Татарского —пролива, зал. Терпения" у восточного побережья Камчатки. Сложная картина поверхностной циркуляции регулярно наблюдалась в весенние месяцы в юго-западной части Охотского моря. Вихре-вые и грибовидные структуры выделялись по конфигурации зон повышенной концентрации льда, но в ряде случаев и зон разводий. Размеры вихрей менялись от 5-10 до 100 км и более, отмечался ряд иерархических уровней грибовидных структур [56,57].

5.3. Карты ледовой обстановки с использованием РЛ-изо-

браягений

Данные РЛ-зондирования являются ценным дополнительным, а в роде случаев и основным источником сведений о ледовой обстановке. С зимы 1986-1987 г. карты ледовой обстановки на Охотском и Беринговом морях, подготовленные по спутниковым данным, 2-4 раза в неделю транслировались в эфир. РЛ-информация была незаменима в условиях облачности и (или) низкой естественной освещенности поверхности, обеспечивая улучшение временного разрешения при определении положения кромки и других характеристик ледяного покрова. По РЛ-изображсниям с точностью,- не уступающей телевизионным изображениям, определялась граница распространения льда и положение зон с различной сплоченностью [56]. Оценивать необходимые для составления карт характеристики (возраст, сплоченность, положение кромки и др.) только по РЛ-данным невозможно ввиду многообразия факторов, влияющих на УЭПР (яркость) льда. Дополнительные ограничения были связаны с сильной изменчивостью яркости фона (морской поверхности).

РЛ-изображения использовались также для оценки ледовой обстановки вблизи портов и выработке рекомендованных курсов во льдах [56].

6. Экспериментальные РФ-нсследоватт системы океан-

атмосфера

Определение параметров атмосферы представляло в наших исследованиях или самостоятельную задачу (наземные измерения) или часть более, общей обратной задачи по оценке параметров системы океан-атмосфера (измерения из космоса). Измерения на частотах = 22,2 ГГц и У2 = 37,5 ГГц позволяют оценил» паросодержанис атмосферы с ошибкой 2-3 кг/м2 и водозапас облаков с ошибкой, зависящей преимущественно от неопределенности п значении [2,21, 36]. Погрешность оценки \У уменьшается, если VI = 21,4-21,7 или 22,7-23,1 ГГц, где влияние вариаций вертикального профиля влажности воздуха снижается (Наумов, 1976), а флуктуации яркостей температуры меньше, чем на резонансной частоте [3]. В отлтпше от паросодержания атмосферы, надежные оценки которого выполняются по данным аэрологического зондироватш, водозапас облачности может быть определен только по СВЧ-радиометрическнм измерениям.

Судовые и наземные измерения на V = 13,3 ГГц, где поглощение в водяном паре пренебрежимо мало, дали обширный материал о вариациях капельной влаги в атмосфере [36,44,55,61,68]. Интерпретация одноволновых (X = 1,35 или 0,3 см) измерений с ИСЗ "Космос-384" [6], "Метеор" [23], "Космос-1766" [53] и др. более сложна, так как па-риашш Тя обусловлены изменчивостью содержания в атмосфере парообразной и капельной влаги, скорости приводного ветра и ТПО.

6.1. Спутниковые СВЧ-измерения

Вариации паросодержания атмосферы и водозапаса облаков, рассчитанные по СВЧ-радиометрическим измерениям с ИСЗ "Космос-243, -384" и "Метеор-18, -28", позволили выявить особенности различных погодных систем над океаном (подтвержденные в дальнейшем) и в ряде случаев проследить эволюцию атмосферных фронтов, внетропических и тропических циклонов, внутритро-пичсской зоны конвергенции (ВЗК) и др. [1,6,15,23,26,28,53].

Для ВЗК характерны следующие особенности [1].

- Значительная протяженность области, вовлеченной в конвергенцию, повышенное паросодержанис' атмосферы (45-60 кг/м2), большие градиенты \У и дЬщ, в меридиональном направлении (до -20 (кг/м2)/100 км и 12 см/100 км). Межсуточная изменчивость V/ и ДЬцл достигает в ряде районов 20-30 кг/м2 и 10-20 см [2].

В районах с наибольшим паросодержаш1ем обычно наблюдается сплошная облачность, границам которой соответствует (3 «0,2 кг/м2. Ширина области с С) > 0,5 кг/м2 составляет ~ 50-1000 км. Узкие максимумы на профиле водозапаса отмечают,

скорее всего, зоны осадков. Повышенные значения XV являются необходимым, но не достаточным условием существования облачных систем ВЗК..

Пзросодсржание атмосферы в районе эксперимента "Тайфун-78" (над западной частью тропической зоны Тихого океана) было определено по измерениям на А. = 1,35 см [23]. Из модельных расчетов следует, что в отсутствие мощной облачности и сильного ветра рост XV от 25 до 55 кг/м2 сопровождается увеличением Тя на ~30К (зондирование в надир). Это обеспечивало точность оценки XV не хуже 5 кг/м2, что подтверждено сопоставлением с аэрологическими данными.

_При-мощной облачности можно-считать-XV'55-60 ыУм^^чтсГ

позволяло оцешпъ интегральное поглощение в облаке и его водозапас (если задать эффективную температуру) [23]. Совместный анализ СВЧ-измерений к ЙК-снимков в зоне ТЦ выявил связь Тя и облачности: повышенные значения (XV) при пересечении облачных спиралей н центрального облачного массива ТЦ, резкий спад XV в облаете нисходящих де$сксшй\ воздуха к северу от ТЦ.

Среднее широтное распределение XV в октябре 1978 г. харакге-риаогляось малыми вариациями \Уср между 0 и 8°с.ш. (52 кг/м2) и 10 и 18*с.ш. (48 кг/м2). Севернее 18°с.ш. значения \Уср монотонно спадали с градиезгрсм от 7 до 18 (кг/м2)/100 км. Относительные вариации е^/У/ср были минимальны в экваториальной области (-10%) и воз-расталн до 25-30% мозду 20 и 25°с.ш., где имела место частая смена ьдашшх (> 45 кг/м2) и сухих (< 30 кг/м2) воздушных масс [23].

Измерения О проводились на одной (к = 2,3 см) или двух (X — 2,3 и 1,35 см) /датах волн с 10 рейсах в Индийском и Тихом океанах на КИС ДВО РАН и ДВНИИ с 1982 по 1992 г. [36,44,55,61]. Регистрировались приращения яркостей температуры облачной атмосферы стгосительио безоблачной ДТЯ под зенитным углом а < 70°. Одновременно проводилась измерения контактными методами скорости ветра и ТОО и съемка экрана судовой РЛС (К — 3 см), показывающей пространственную структуру зон мощной облачности и дождей. Для облаков и осадков типа мороси рассеянием излучения с X = 2,3 см можно пренебречь и

ДГя(а)= Т^ё~г^Ш1а(1-ег^1Сва)1 (18)

где Тэф=Т0 -ДТ - эффективная температура атмосферы; ДТ—10-20К - поправка на неизотермичность атмосферы; т = "Собл^ясн " инте-

гральное поглощение атмосферы п зените, равное сумме поглощений в безоблачной атмосфере и в облаках.

В условиях тропической атмосферы ¿.игл X = 2,3 см имеем

гобл = 1 веса)[1'- 0,0035Д7^ (а)»:0'0255^" ]. (19)

Основные характеристики различных форм облаков и выпадающих из них осадков (пределы изменения, размеры неодпорояно-стей, относительные вариации и др.) описаны в [36,44,55,611.

Длительные СВЧ-измерения облачности проводились также на побережье Тайваня (цекабрь1993 - сентябрь 1995 г.). Для осадков, выпадавших из протяженных облачных шссивов зимнего муссона

(

Бс, №), функция К.(0 = | Тя(1)ск давала хорошую оценку количества

о

дождя, аккумул1фОванного за время I [68].

6.3. Совместный анализ пассивных и активных спутниковых измерений

С ряда спупшков "Океан" одновременно с РЛ-зондировазшсм велись измерения уходящего излучения Земли на X ~ 0,8 см на горизонтальной поляризации. Для согласования полос обзора СВЧ-радиометра с РЛС БО сканирование осуществлялось в плоскости, перпендикулярной направлению полета. Угол падения 0 менялся от -19 до ~51°. Размер элемента разрешения составлял -10 х 15 к?.! [52].

Чувствительность Тя(9) к вариациям скорости ветра, парообразной н капельной влага в атмосфере была оценена по расчетным данным [53]. Расчеты велись для горизонтально протяженной и однородной облачности с = 0-5 кг/м2 при W = 40+60 кг/м2, и = 0+50 м/с, температуре воды Т0 = 301К и солености 35йо.

При ясной погоде значения Тя спадают с ростом 0. Уменьшение коэффициента излучения оказывает на Тя(0) более сильное влияние, чем рост излучения атмосферы. Увеличение скорости ветра сопровождается увеличением к(8) и Тя(0). Значение производной ЗТд/Эи «0,7 К/(м/с) и не зависит от 0. Производная оТд/с^ я и 0,4-0,55 К/(кг/м2)..

При облачности поведение Тя(0) меняется: при 0 £ 0,30,4 кг/м2 значения Тя растут с ростом угла падения. Производная достигает 40-50 К/(кг/м2). С ростом водозапаса значения производной снижаются до 25-30 К/(кг/м2) (при 0 = 1 кг/м2) и до -6-12 К/(кг/м2) (при (3 « 3 кг/м2), и яркостная температура во все меньшей степени зависит от скорости ветра. При мощной облачности

(Q £ 3-5 кг/м2) даже ураганные ветры вызывают сравнительно небольшие вариации Тп.

Изменение тона РЛ-изображений - в отличие от радиотепловых - обусловлено главным образом вариациями характеристик приводного ветра. Заметный рассеянный сигнал от дождя появляется только при интенсивности дождя R ¿15 мм/ч.

Совместный анализ СВЧ-радиометрического, РЛ- и ПК-изображений ТЦ "Агнес" (8807) выявил ярко выраженную асимметрию в структуре полей водозапаса облаков и приводного ветра: насыщенные аяагой облака наблюдались в основном в северном секторе шторма, а максимальные ветры - ь южном. В центре ТЦ области с минимальными .значениями и к_Q-частично перекрывались. Центральную об-лзегь охватывала узкая зона сходимости ветра - зона затишья, связанная с фронтом окклюзии. Облачность фронта окклюзии и холодного фронта характеризовалась развитой конвекцией и водозапасом > 1-1,5 кг/м2; интенсивность дождя R не превышала 10 мм/ч [53].

Подозрение и форма дождевых ячеек с R > 15-20 мм/ч определяются по РЛ-изображеншш [52]. Это позволяет оценить относительную площадь, занимаемую интенсивными осадками в пределах от-даяъных элементов разрешения радиотепловых изображений, выделить облает, где понижение Тл на миллиметровых волнах обусловлено дождем, а не уменьшением водозапаса облаков, и оценить эффекты антенного сглаживания [53]. С другой стороны, определяя по Тя вне зон осадков значения Q, можно найти поглощение РЛ-сигналов при двукратном прохождении через мощную облачность и скорректировать возникающую из-за этого погрешность в оценке скорости ветра.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ К ВЫВОДЫ

Сформулированные выше основные защищаемые положения обоснованы следующими конкретными результатами. Их можно разделить на несколько, групп.

В исследованиях СВЧ-спектра уходящего излучения Земли:

1. Проведены исследования вариаций спектров диэлектрической проницаемости воды, коэффициентов излучения водной поверхности, глубины проникновения электромагнитной волны в воду и коэффициента поглощения в облаках.

2. Определены вариации яркостной температуры системы океан-атмосфера и атмосферы в диапазоне частот 1-200 ГГц при изменениях угла зондирования, поляризации излучения, гидрометеорологических параметров.

3. Развит метод определения эффективной температуры и водозапаса облаков и паросодержания атмосферы по многочастотным СВЧ-измерениям излучения атмосферы или системы океан-атмосфера.

4. Получены уравнения для влажной и облачной компонент фазового запаздывания радиоволн в атмосфере и предложен метод их оценки по измерениям СВЧ-излучения системы океан-атмосфера на двух-трех частотах.

5. Предложен метод оценки параметров распределения температуры в тонкой поверхностной пленке океана по СВЧ-измерсниям на нескольких длинах волн.

6. Разработан- метод определения общего содержания озона по измерениям излучения атмосферы в линиях озона миллиметрового диапазона широкополосным радиометром и найдены оптимальные условия для определения содержания примесных газов в верхней атмосфере Земли.

В исследованиях приводного пета спутниковой РЛС БО:

1. Выявлены характерные особенности поля ветра в атмосферных фронтах, внетропических и тропических циклонах, конвективных и полярных вихрях; обнаружены зоны резких градиентов скорости ветра (5-10 (м/с)/км),-связанные с развитыми атмосферными фронтами, и мезомасштабные структуры, указывающие направление вира и уменьшающие погрешность в оценке его скорости.

2. Обнаружена тесная связь полей приводного ветра и облачности в процессах субсиноптического и мезомасштабов при нестабильной стратификации.

3. Обнаружены регулярные мезомасштабные (10-100 км) вариации ветра, связанные с МКЯ и грядами, с внутренними гравитационными волнами. Для МКЯ и гряд исследована зависимость УЭПР морской поверхности от соотношения между характеристиками основного потока, мезомасштабной циркуляции и азимута зондирования; предложены модели распределения ветра, обеспечивающие хорошее согласие расчетных полей УЗПР с экспериментальными.

4. Сформулировано и обосновано предложение об исследовании пространственной структуры поля подводного акустического шума в килогерцевом диапазоне по спутниковым измерениям приводного ветра. Оценены вариации уровня шума, связанные с атмосферными фронтами, ТЦ, мезомасштабными регулярными структурами в поле ветра. Определены сезонные различия уровня динамического шума в Тихом и Атлантическом океанах.

В исследованиях динамических образований в океане:

1. Предложена методика измерений характеристик внутренних волн с использованием судовой РЛС и СВЧ-радиометров; проведены комплексные измерения с НИС и ИСЗ "Космос-1500".

2. Исследована зависимость спектра "яркостных контрастов пленок нефтепродуктов и эмульсий нефти с морской водой от параметров пленки; оценено снижение контрастов из-за излучения и поглощения в атмосфере; проведены экспериментальные исследования вариаций радиояркости антропогенных и природных пленок с самолета и с НИС.

3. Обнаружены проявления динамических образований (Куросио, вихри различных масштабов и др.) на РЛ-изображениях и тесная корреляция поля УЭПР (шероховатости поверхности) с полем ТПО на ИК-изображениях; предложены механизмы для объяснения наблюдаемой корреляции.

В Р.Н-исследованиях ледяного покрова дальневосточных морей:

1. Выделены три группы льдов, отличающихся РЛ-характеристиками: начальные виды льда и темный нилас, светлый нилас и серые льды, серо-белые и белые льды. Максимальные значения УЭПР отмечаются для второй группы, особенно для блинчатого льда. УЭПР льдов третьей группы возрастает в весенний период.

-2. 0бнаруйссны по1;ышенные значения-УЭПР прикромочной зо-—

кы из-за преобладания мелкобитой фракции льда и быстрые и значительные нзменешм УЭПР в зонах постоянного обновления ледяного покрова.

3. Определены смещения крсмки льда в Охотском море при про-хохсдсннк циклонов (50-100 км), соответствующие имеющимся представлениям.

4. Обнаружены разнообразные организованные структуры (вихри, вихревые диполи, струи, полосы и др.) в поле битого льда в юго-западной части Охотского моря, у восточного побережья Камчатки, в прикромпчной зоне.

5. Разработаны практические рекомендации по дешифрированию РЛ-изобретений ледяного покрова и по подготовке карт ледовой обстановки на основе комплексного анализа различных видов данных.

В натурных и численных экспериментах по зондированию об-даирй ятм?уф?рк;

1. Предложена методика и проведены СВЧ-радиометрические измерения характеристик капельной влаги в атмосфере над Тихим и Игущйским оксанг.:,1и в 10 экспедициях на НИС ДВО РАН и ДВНИГМИ.

2. Определены хараетерные диапазоны изменчивости и особенности простран&геенных Едрнаций водозапаса различных форм облачности над океаном.

3. ИзучгНы эффекты антенного сглаживания при измерениях из космоса над океаном. Предложена методика построения вертикального профиля водности облаков по судовым измерениям интегрального поглощения на волке 2,3 см.

4. Определены пространственные градиенты паросодержания и влажной составляющей электрической толщи атмосферы над тропическими районами океана по данным спутникового СВЧ-радио-метрнческого зондирования. Исследована связь полей водозапаса облаков и пзросодсржшия атмосферы.

В исследованиях тропических и внетропических циклонов:

1. Развит метод определения давления в центре и стадии развития ТЦ. Устаноалена количественная взаимосвязь между падением

4.1

атмосферного давления и приращением яркостиой температуры на частотах и области резонансного поглощения в кислороде.

2. Исследованы возможности определении параметров и структуры ТЦ и полярных циклонов методом мнотчастотного СВЧ-радно-метрического зондирования с самолета.

3. Разработан метод актнвпо-маесиннот кшдпропиния циклонических образований из космоса. Проведены испытания метода путем интеграции РЛ- и СВЧ-радиометрмческих измерении со спутников "Космос-1766", "Океан" и ЦМБР.

Основные публикации по теме диссертации

1. Алексеева И.А., Митник Л.М. Структура пнутритропичсскон зоны

конвергенции по радиометрическим измерениям со спутника "Космос-243" // Тропическая зона Мирового океана и связанные с ней глобальные процессы. М.: Наука, 1973. С. 56-61.

2. Митник Л.М. Использование радиометрических измерений в СВЧ-диапазоне для определения длины группового пути радиоволн в атмосфере // Радиотехника и электроника. 1973. Т. 18. N 9. С. 180S-1S15.

3. Митник Л.М. Флуктуации радиояркостной температуры безоблачной атмосферы в области вращательного резонанса водяного пара X = 1,35 см // Радиотехника и электроника. 1973. Т. 1S. N 10. С. 215S-2I61.

4. Митник Л.М. Использование радиометрических измерений в СВЧ-диапазоне при спектральных исследованиях верхней атмосферы Земли // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1973. Т. 11. N 10. С. 1092-1096.

5. Митник Л.М. Обнаружение нефтяных загрязнений на поверхности акваторий методом пассивного зондирования в СВЧ-диапазоне (по данным модельных расчетов) // Водные ресурсы. 1974. N 2. С. 180-186.

6. Митник Л.М. Оценка полной массы водяного пара в атмосфере по спутниковым измерениям радиотеплового излучения Земли на волне X, = 0,8 см // Метеорология и гидрология. 1974. N 6. С. 22-25. о-.

7. Митник Л.М. Определение эффективной температуры жидкока-пельных облачных образований по тепловому излучению атмосферы в СВЧ-диапазоне //Труды ГМЦ СССР. Спутниковая метеорология. 1974. Вып. 148. С. 115-125.

8. Mitnik L.M., Sidorov Yu.E., Solonin S.V. Remote ¡nvestigation of the environment from space and problems of space data handling // Acta Astronáutica. 1977. V. 4. N.7-8. P. 769-787.

Митник Л.М. Определение интегрального поглощения радиоволн в атмосфере по наблюдениям внеземных источников радиоизлучения с помощью квазинулевого радиометра // В кн.: Радиофи-

зические исследования атмосферы. Л.: Гидрометсоиздат, 1977. С. 208-211.

10. Ммгиик Л.М. Определение подпой массы водяного пара в атмосфере, подотапаеа и иффектииноп температуры облаков по измерениям ухоляшего СВЧ-нзлучешш Земли // В кн.: Радиофизические иссдсдонанин атмосферы. Л.: Гидрометсоиздат, 1977. С. 194-200. П. Митник Л.М. Диетаншюнкос зондирование нефтяных загрязнений акваторий. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1977. 62 с.

12. Митник Л.М. Физические основы дистанционного зондирования окружающей среды. Л.: ЛПИ им. М.И. Калинина, 1977. 58 с.

13. Митник Л.М., Кухарская Н.Ф. Возможности оценки полной мас-си~водяного~парл~[Гатмосфере псГпариациям фазового запаздывания радиоволн // Межиузов. сборник: Авиационная и космическая Метеорология. Л.: ЛПИ им. М.И. Калинина, 1977. Вып. 64. С. 75-7S.

14. Митник Л.М. Спектры излучагсльной способности природных вод в сверхпысокочастотном и инфракрасном диапазонах // 12-ая Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. М.: Наука,

1978. Тезисы докладов. Часть П. С. 179-182.

15. Митник Л.М., Озеркина В.В. Пространственные вариации поля радиояркостных температур облачных образований по спутниковым измерениям // Труды 4-го Всесоюзного совещания по радиометеорологии. М.: Гилромстеоиздат, 1978. С. 127-128.

16. Аквилонова А.Б., Калашников В.В., Кутуза Б.Г., Кухарская Н.Ф., Митник Л.М. О радиоизлучении облаков в области полосы поглощения кислорода л = 5 мм // Труды 4-го Всесоюзного совещания по радиометеорологии. М.: Гидрометсоиздат, 1978. С. 133-136.

17. Митник Л.М. Излучительные характеристики водной поверхности. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД. 1978. 67 с.

IS. Митник Л.М. Температурные вариации излучательных свойств природных код в диапазоне дециметровых-миллиметровых волн // В кн.: Физическая активация водных систем и биологических объектов. Л.: Афофизический институт ВАСХНИЛ, 1979. С. 30-42.

19. Митник Л.М. Возможности дистанционного зондирования температуры в тонком поверхностном слое океана // Изв. АН СССР.

Физика атмосферы и океана. 1979. Т. 15. N 3. С. 344-347.

20. Митник Л.М. О вариациях поглощения СВЧ-излучения в атмосферном озоне // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана.

1979. Т. 15. N4. С. 401-407.

21. Митник Л.М. Исследование облачности методом СВЧ-радио-мстрии. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1979. 72 с.

22. Khapin Yu.B., Mitnik L.M., Semin A.G., Etkin V.S. Investigation of oil pollution of aquatories using the data of microwave and IR radiometric measurements // XIV Pacific Science Congress. Moscow. 1979. Abstracts of papers. Committee A. Section AI. P. 17-18.

23. Митник J1.M. Пространственные вариации полной массы поднно-го пара d атмосфере п районе проведения эксперимента "Тайфуп-78" по данным спутниковых СНЧ-радпомстрмчсских измерений // 13 кн.: Тайфун-78. J1.: Гидрометеоиздаг, 19X0. С. 75-SI.

24. Митник J1.M., Митник М.Л. Модельные расчеты восходящего радиотеплового излучения над тропическими районами Мирового океана // Исследование гидрометеорологических параметров тропической зоны океана дистанционными методами. Владивосток. 1981. С. 30-41.

25. Митник Л.М., Митник М.Л. Оценка параметров тропической атмосферы по спектру восходящего СВЧ-ихчучения // В кн.: Тропическая метеорология. Труды Международного симпозиума. Л.: Гилрометеоиздат, 19S2. С. 191-200.

26. Алексеева И.А., Домбковская Е.П., Митник Л.М. Исследование полей влажности и облачности над тропическими районами Атлантического океана по СВЧ-радиометричсским измерениям со спутников "Метеор"// В кн.: Тропическая метеорология. Труды Международного симпозиума. Л.: Гилрометеоиздат, 1982. С. 220-225.

27. Ильичев В.И., Лобанов В.Б., Митник Л.М. Оценка изменчивости характеристик акустических сигналов в области фронтальных зон и мезомасштабных вихрей по данным дистанционного зондирования // 2-ой Всесоюзный съезд океанологов. Севастополь. 1982. Тезисы докладов. Вып. 4. Ч. 1. Физика и химия океана. С. 4-5.

28. Митник Л.М., Курилова Ю.В. Состояние и перспективы исследования глобального водообмена с применением спутниковой информации. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД. 1982. 84 с.

29. Митник Л.М., Митник М.Л. Возможности оценки тепло- и влаго-обмена океана и атмосферы по спутниковым измерениям // 1-ая Всесоюзная конференция "Биосфера и климат по данным космических исследований". Баку. 19S2. Тезисы докладов. С. 29-30.

30. Митник Л.М. Спутниковые радиофизические исследования снежно-ледовых покровов // Материалы гляциологических исследований. Хроника, обсуждение. 19S3. Вып. 47. С. 233-243.

31. Митник Л.М. Диэлектрическая проницаемость воды: необходимость точных значений для решения задач дистанционного зондирования окружающей среды // Исслед. Земли из космоса. 1984. N 3. С. 66-71.

32. Ильичев В.И., Митник Л.М., Лобанов В.Б. Вихревые образования синоптического масштаба в океане и атмосфере: результаты исследований в северо-западной части Тихого океана. Препринт N72. М.: Материалы семинара отдела вычислительной математики. 1984. 25 с.

33. Bushuev E.I., Gribunin A.G., Kalmikov A.I., Mitnik L.M. et al. Macro- and mesoscale features of water surfacc radar images from oceanograpliycal satellite Cosmos-1500 measurements. Preprint IAF-S4-

107. Switzerland. Lousanne: 35-tli Congiess International Astronautical Federation. 19S4. 35 p.

34. Митник Л.М., Десятого Г.И., Ковбасюк В.В. Комплексный анализ радиолокационного и оптического изображений северо-западной части Тихого океана за 6 декабря 1983 г. // Исслед. Земли из космоса. 1985. N 3. С. 48-53.

35. Митник Л.М., Десятова Г.И., Ковбасюк В.В. Определение характеристик ледяного покрова Охотского моря зимой 1983-1984 гг. по данным радиолокационного зондирования // Исслед. Земли из космоса. 1985. N 3. С. 16-22.

36. Mitnik L.M. Microwave radiometric investigation of cloud

_characteristics from satcllite // Acta Astronáutica. J986JV. J3._N

175-183.

37. Митник Л.М., Грибунин А.Г. Состояние и перспективы исследований северо-западной части Тихого океана по данным спутниковых наблюдений // В кн.: Итоги науки и техники. Атмосфера, океан, космос - Программа "Разрезы". 1986. Т. 7. С. 211-224.

ЗЗ.Митник Л.М., Десятова Г.И., Ковбасюк В.В. Анализ макро- и ме-зомасштабиых особенностей поля волнения, проявляющихся на радиолокационных изображениях с ИСЗ "Космос-1500"// Исслед. Земли из космоса. 1986. N 2. С. 21-31.

39. Митник Л.М., Десятова Г.И. Исследование динамики ледяного покрова на озерах с использованием радиолокационных изображений с ИСЗ "Космос-1500"// Труды ГосНИЦИПР. 1986. Вып. 25. С. 93т97.

40. Митник Л.М., Митник М.Л. Использование СВЧ-радиометри-чесих измерений для изучения эволюции тропических циклонов // Б кн.: Тропическая метеорология. Труды Третьего Международного симпозиума. Л.: Гидромстеоиздат. 1987. С. 245-251.

41. Алексеева И.А., Вольпян Г.П., Домбковская Е.П., Митник Л.М., Спиридонов Ю.Г. Исследование гидрометеорологических параметров возмущенной тропической зоны над океаном // В кн.: Тропическая метеорология. Труды Третьего Международного симпозиума. Л.: Гидрометеоиздат. 1987. С. 515-524.

42. Митник Л.М. Десятова Г.И., Ковбасюк В.В., Вольпян Г.П., Грибунин А.Г. Взаимосвязь полей приводного ветра и облачности по данным спутникового зондирования в видимом, ИК- и СВЧ-диапазонах// Исслед. Земли из космоса. 1987. N 4. С. 28-40.

43.Митник Л.М. Регистрация внутренних волн по данным радиофизического зондирования с НИС "Академик Александр Несмеянов" И с ИСЗ /'/ Исслед. Земли из космоса. 1987. N 6. С. 49-56.

44. Митник J1.M., Митник MJ1., Шум М.Ю. Облачность и осадки над тропическими районами океана по данным судовых радиофизических измерений // 15-ая Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. М.: Наука, 1987. Тезисы докладов. С. 391.

45. Ильичев В.И., Митник Л.М., Щурок В.А. Оценка спектра динамических шумов океана по данным спутниковых радиофизических измерений // 3-ий Всесоюзный съезд океанологов. Л.: Гидроме-теоиздат, 1987. Тезисы докладов. Секция физики и химии океана. Акустика и оптика. С. 64-66.

46. Митник Л.М., Дссятова Г.И. Оценка распределения и динамики ледяного покрова Охот-ского моря по радиолокационным изображениям из космоса // 3-ий Всесоюзный съезд океанологов. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. Тезисы докладов. Секция физики и химии океана. Космическая океанология. С. 165-167.

47. Митник Л.М., Десятова Г.И. Спутниковые радиофизические исследования приводного ветра в атмосферных фронтах над океаном в зимний период // 3-ий Всесоюзный съезд океанологов. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. Тезисы докладов. Секция физики и химии океана. Космическая океанология. С. 164-165.

48. Ильичев В.И., Лобанов В.В., Митник Л.М. Оценка изменчивости акустических характеристик в области фронтальных зон и мезо-масштабных вихрей с использованием данных дистанционного зондирования //Акустический журнал. 1988. N 5. С. 857-864.

49. Митник Л.М., Дзюба В.П., Митник МЛ. Сезонная изменчивость характеристик поля акустического шума по акваториям Мирового океана // 2-ой межотраслевой акустический семинар "Модели, алгоритмы, принятие решений". M. 19SS. Тезисы докладов. С. 121.

50. Митник Л.М., Дзюба В.П., Ильичев В.И. Пространственно-когерентные мезоструктуры в поле акустических шумов океана // Докл. АН СССР. 1989. Т. 305. N 2. С. 449-452.

51. Митник Л.М., Булатов Н.В., Лобанов В.В. Синоптические вихри в океане на спутниковых радиолокационных изображениях // Докл. АН СССР. 1989. Т. 307. N 2. С. 454-456.

52. Митник Л.М., Викторов C.B. (научные редакторы). Радиолокация поверхности Земли из космоса. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 200 с.

53. Митник Л.М., Десятова Г.И., Митник М.Л. Поля приводного ветра и облачности в тропическом шторме "Агнес" по данным спутникового радиофизического зондирования // Исслед. Земли из космоса. 1990. N 6. С. 20-28.

54. Mitnik L.M., Lobanov V.B. Reflection of the oceanic fronts on the satellite radar images. In: Oceanography of Asian Marginal Seas, K. Takano, editor. Amsterdam: Elsevier, 1991. Elsevier Oceanography Series. V. 54. P. 85-101.

55. Митник Л.М., Шум M.IO. СВЧ-радиометрическое зондирование облачной атмосферы над океаном из космоса: влияние антенного сглаживания // Радиотехника и электроника. 1991. Т. 26. N 5. С. 891-901.

56. Митник Л.М., Десятова Г.И., Ковбасюк В.В. Дешифрирование морского льда дальневосточных морей по данным радиолокацион-

ного зондирования. Методическое пособие. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.56 с.

57. Mitnik L.M., Kalmykov A.I. Structure and dynamics of the Sea of Okhotsk marginal ice zone from "Ocean" satellite radar sensing data // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. N C5. P. 7429- 7445.

58. Митник Л.М., Митник М.Л., Шум М.Ю. Моделирование наблюдений СВЧ-радиометрической системой "Икар-1" с использованием дистанционных и контактных судовых измерений // Исслед. Земли из космоса. 1992. N 4. С. 22-31.

59. Mitnik L.M. Mesoscale coherent structures in the surface wind field during cold air outbreaks over the Far Eastern seas from the satellite

—side-lookingradar//-Laincr.-1993.-V.30.N.3.P.287-296.——-

60. Mitnik L.M., Mitnik M.L. Spatial variability of the underwater noise from satellite' radar. In: Satellite Remote Sensing of the Oceanic Environment, Ian S.F. Jones, Y. Sugimori and R.W. Stewart (editors). Seibutsu Kenkyusha Co. Ltd. 1993. P. 293-301.

61. Mitnik L.M., Mitnik M.L., Shoom M.Yu. Cloud liquid water content derived from ship microwave radiometric measurement. In: Satellite Remote Sensing of the Oceanic Environment. Ian S.F. Jones, Y. Sugimori and R.W. Stewart (editors). Seibutsu Kenkyusha Co. Ltd. 1993. P. 83-86.

62. Mitnik L.M. Surface wind variability from satellite Side Looking Radar. In:' Satellite Remote Sensing of the Oceanic Environment. Ian S.F. Jones, Y. Sugimori and R.W. Stewart (editors). Seibutsu Kenkyusha Co. Ltd. 1993. P. 200-208.

63. Mitnik L.M. Sea Ice Monitoring. In: Satellite Remote Sensing of the Oceanic Environment. Ian S.F. Jones, Y. Sugimori and R.W. Stewart (editors). Seibutsu Kenkyusha Co. Ltd. 1993. P. 313-323.

64. Mitnik L.M., Mitnik M.L., Schlemchenko S.D. Surface wind structure of polar lows // Proc. PORSEC'94. Melbourne. Australia. 1994. P. 315-321.

65. Mitnik L.M., Mitnik M.L., Shoom M.Yu. Priroda multichannel microwave unit: Retrieval of ocean surface and atmospheric parameters // Proc. PORSEC'94, Melbourne. Australia. 1994. P. 329-334.

66. Hsu M.-K., Mitnik L.M., Liu C.-T., Chen K.-S., Leu L.-G. Surface expressions of the oceanic phenomena near Taiwan on the satellite infrared and radar images // Proc. Second Intern. Conf. on Air-Sea Interaction and on Meteorololy and Oceanography of the Coastal Zone (ICAIMO). Lisbon. Portugal. 22-27 Sept 1994. P. 156.

67. Mitnik L.M., Hsu M.-K., Liu C-T, Chen K.-S. Mesoscale atmospheric organized structures over the Asian marginal seas on satellite radar images // Proc. ICAIMO. 1994. P. 175.

68. Mitnik L.M., Hsu M.-K., Liu C.-T., Mitnik M.L. Cloud influence on microwave sensing of the ocean // Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences. 1994. V. 5. N 4. P. 537-555.