ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2021, № 10 · РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Годовой ход погрешности радиоальтиметрических измерений уровня Черного моря, обусловленной нелинейностью морских волн

А.С. Запевалов1

1 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2021.10.6 УДК 551.46 EDN FLCVEM

Аннотация

Анализируется изменчивость погрешности альтиметрического определения уровня поверхности Черного моря, обусловленная нелинейностью морских волн D L . Нелинейность приводит к отклонениям распределения возвышений отражающей радиоволны поверхности от распределения Гаусса. Погрешность возникает вследствие того, что медиана квазигауссова распределения возвышений поверхности не совпадает со средним уровнем поверхности. Анализ проводится в рамках модели Брауна (Brown), описывающей форму отраженного от морской поверхности импульса радиоальтиметра, который установлен на космическом аппарате. Для анализа используются данные численной оперативной модели поля поверхностных волн. При расчетах формы отраженного импульса альтиметра введен дополнительный предиктор - крутизна волн. Показано, что существует четко выраженный годовой ход погрешности D L . Ее наиболее высокие значения наблюдаются в зимний период, когда среднемесячное значение достигает уровня 0.25 м, в летний период эта погрешность снижается до 0.08-0.10 м. Для Черного моря максимальное значение D L , рассчитанное по трехчасовым характеристикам поверхностных волн, равно 0.4 м, среднее за год значение D L равно 0.17 м.

  • альтиметрия
  • модель Брауна
  • поверхностные волны
  • распределение возвышений поверхности
Abstract (in English)

The annual cycle of the error of radioaltimetric measurements of the Black Sea level due to the nonlinearity of sea waves

The variability of the error of the altimetric determination of the Black Sea level D L due to the nonlinearity of sea waves is analyzed. The nonlinearity leads to deviations in the distribution of elevations of the reflecting radio wave surface from the Gaussian distribution. The error occurs due to the fact that the median of the non-Gaussian distribution of surface elevations does not coincide with the average surface level. The analysis is carried out within the framework of the Brown model, which describes the shape of an altimetric pulse reflected from the sea surface. Data from a numerical operational model of the surface wave field are used for the analysis. When calculating the shape of the reflected pulse of the altimeter, an additional predictor is introduced - the steepness of the waves. It is shown that there is a clearly defined annual variation of the error D L . Its highest values are observed in winter, when the average monthly value reaches the level of 0.25 m, in summer this error decreases to 0.08-01 m. The maximum value calculated from the three-hour characteristics of surface waves is 0.4 m, the average value is 0.17 m.

Для цитирования

Запевалов А.С. Годовой ход погрешности радиоальтиметрических измерений уровня Черного моря, обусловленной нелинейностью морских волн // Журнал радиоэлектроники. – 2021. – № 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.10.6

Литература

  1. Пустовойтенко В.В., Радайкина Л.Н., Терехин Ю.В., Коротаев Г.К. Космические средства радиолокационного мониторинга морских акваторий. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2008. №16. С.45-83.
  2. Pustovoitenko V.V., Bolshakov A.N. Short-wave radiolocation in oceanography. Physical Oceanography. 1994. V.5. P.309-317. https://doi.org/10.1007/BF02197022
  3. Danilychev M.V., Nikolaev A.N., Kutuza B.G. Application of the kirchhoff method for practical calculations in microwave radiometry of wavy sea surface. Journal of Communications Technology and Electronics. 2009. V.54. №8. P.869-878.
  4. Запевалов А.С., Гармашов А.В. Асимметрия и эксцесс поверхностных волн в прибрежной зоне Черного моря. Морской гидрофизический журнал. 2021. Т.37. № 4. С. 447-459. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-4-447-459
  5. Ablain M., Legeais J.F., Prandi P., Marcos M., Fenoglio-Marc L., Dieng H.B., Benveniste J., Cazenave A. Satellite altimetry-based sea level at global and regional scales. Surveys in Geophysics. 2017. V.38. P.7-31. https://doi.org/10.1007/s10712-016-9389-8
  6. Лебедев С.А., Гусев И.В. Международный опыт калибровки данных спутниковой альтиметрии на стационарных и временных полигонах. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т.18. №2. С.18-35. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2021-18-2-18-35
  7. Cheng Y., Xu Q., Gao L., Li X., Zou B., Liu T. Sea state bias variability in satellite altimetry data. Remote Sensing. 2019. V.11. №10. P.1176. https://doi.org/10.3390/rs11101176
  8. Badulin S.I., Grigorieva V.G., Shabanov P.A., Sharmar V.D., Karpov I.O. Sea state bias in altimetry measurements within the theory of similarity for wind-driven seas. Advances in Space Research. 2021. V.68. №2. P.978-988. https://doi.org/10.1016/j.asr.2019.11.040
  9. Pires N., Fernandes M., Gommenginger C., Scharroo R. A conceptually simple modeling approach for Jason-1 sea state bias correction based on 3 parameters exclusively derived from altimetric information. Remote Sensing. 2016. V.8. №7. P.576. https://doi.org/10.3390/rs8070576
  10. Запевалов А.С. Влияние асимметрии и эксцесса распределения возвышений взволнованной морской поверхности на точность альтиметрических измерений ее уровня. Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2012. Т.48. №2. С.224-231.
  11. Tran N., Vandemark D., Labroue S., Feng H., Chapron B., Tolman H.L., Lambin J., Picot N. Sea state bias in altimeter sea level estimates determined by combining wave model and satellite data. Journal of. Geophysical Research. 2010. V.115. №C3. P.C03020. https://doi.org/10.1029/2009jc005534
  12. Ardhuin F., et al. Semi empirical dissipation source functions for wind-wave models. Part I: definition and calibration and validation at global scales. Journal of Physical Oceanography. 2010. V.40. P.1917-1941. https://doi.org/10.1175/2010JPO4324.1
  13. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. Москва, Наука. 1972. 424 с.
  14. Brown G.S. The average impulse response of a rough surface and its applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1977. V.25. №1. P.67-74. https://doi.org/10.1109/TAP.1977.1141536
  15. Hayne G.S. Radar altimeter mean return waveforms from near-normal-incidence ocean surface scattering. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1980. V.28. №5. P.687-692. https://doi.org/10.1109/TAP.1980.1142398
  16. Quilfen Y., Chapron B., Collard F., Serre M. Calibration/validation of an altimeter wave period model and application to TOPEX/Poseidon and Jason-1 altimeters. Marine Geodesy. 2004. V.27. №3-4. P.535-549. https://doi.org/10.1080/01490410490902025
  17. Караев В.Ю., Мешков Е.М., Коттон Д., Чу К. К вопросу об определении волнового периода морского волнения по радиоальтиметрическим данным. Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2013. Т.56. №3. С.135-148.
  18. Phillips О.М. On the dynamics of unsteady gravity waves of finite amplitude. Part 2. Journal of Fluid Mechanics. 1961. V.11. P.143-155. https://doi.org/10.1017/S0022112061000913
  19. Longuet-Higgins M.S. The effect of non-linearities on statistical distribution in the theory of sea waves. Journal of Fluid Mechanics. 1963. V.17. №3. P.459-480. https://doi.org/10.1017/S0022112063001452
  20. Huang N.Е., Long S.R. An experimental investigation of the surface elevation probability distribution and statistics of wind-generated waves. Journal of Fluid Mechanics. 1980. V.101. №1. P.179-200. https://doi.org/10.1017/s0022112080001590
  21. Михайличенко С.Ю., Гармашов А.В., Фомин В.В. Верификация модели ветрового волнения SWAN по наблюдениям на стационарной океанографической платформе Черноморского гидрофизического полигона РАН. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2016. №2. С.52-57.
  22. Ратнер Ю.Б., Фомин В.В., Иванчик А.М., Иванчик М.В. Система оперативного прогноза ветрового волнения черноморского центра морских прогнозов. Морской гидрофизический журнал. 2017. №5 (197). С.56-66. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2017-5-56-66
  23. Tayfun M.A., Alkhalidi M.A. Distribution of surface elevations in nonlinear seas. Offshore Technology Conference Asia. 2016. OTC-26436-MS. https://doi.org/10.4043/26436-MS
  24. Gao Z., Sun Z., Liang S. Probability density function for wave elevation based on Gaussian mixture models. Ocean Engineering. 2020. V.213. P.107815. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.107815