Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2019, № 6 · RADIO WAVE PROPAGATION

The effect of long wind waves on reflection electromagnetic radiation from the sea surface

A.S. Zapevalov1,2

1 Морской гидрофизический институт РАН, Sevastopol, Russia
2 Marine Hydrophysical Institute of RAS, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2019.6.8 UDC 537.877+532.5.013 EDN XBZCFL

Abstract

The variability of sea surface slopes which determine the level of the specular reflected signal at small sensing angles is analyzed. The effects created by waves whose length exceeds 10 m are considered. The analysis is carried out by numerical simulation using a spectral model of fully developed wind waves (model Pierson-Moskowitz), as well as models of developing wind waves (model Donelan). In the Donelan’s model, the stage of development of the field of wind waves is described by a parameter called the inverse age of the waves, equal to the ratio of the wind speed and the phase speed of the dominant waves. For the case when the wind waves are fully developed, the dependence on the wind speed of the variance of long wave slopes is constructed. The proportion of the variance of the slopes created by the waves with a length of more than 10 m, of the total variance created by all the waves that are present on the sea surface is determined. Depending on the wind speed, this proportion is from 5 % to 15 %. For the case when the wind wave is developing, it is shown that when the reverse age of the waves changes from 0.83 to 4, the dispersion of the slopes can change 2.5-3 times.

  • морские волны
  • радиоволны
  • уклоны морской поверхности
  • ветер
  • статистические моменты второго порядка
  • sea waves
  • radio waves
  • sea surface slopes
  • wind
  • statistical moments of the second order
Аннотация (на русском)

Влияние длинных ветровых волн на отражение электромагнитного излучения морской поверхностью

Анализируется изменчивость уклонов морской поверхности, определяющих уровень зеркально отраженного сигнала при малых углах зондирования. Рассмотрены эффекты, создаваемые волнами, длина которых превышает 10 м. Анализ проводится путем численного моделирования с использованием спектральной модели полностью развитого волнения (модель Пирсона-Московитца), а также модели развивающегося ветрового волнения (модель Донелана). В модели Донелана стадия развития ветрового поля описывается с помощью параметра, получившего название обратного возраста волн, равного отношению скорости ветра и фазовой скорости доминантных волн. Для случая, когда ветровое волнение является полностью развитым, построена зависимость от скорости ветра дисперсии уклонов длинных волн. Определена доля дисперсии уклонов, создаваемых длинными волнами (длина более 10 м), от общей дисперсии, создаваемой всеми присутствующими на морской поверхности волнами. В зависимости от скорости ветра она составляет от 5 % до 15 %. Для случая, когда ветровое волнение является развивающимся показано, что при изменении обратного возраста волн от 0.83 до 4 дисперсия уклонов может изменяться в 2.5-3 раза.

For citation

Zapevalov A.S. The effect of long wind waves on reflection electromagnetic radiation from the sea surface // Journal of Radio Electronics. – 2019. – No. 6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.6.8

References

  1. Moore R. K., Pierson W.J. Measuring sea state and estimating surface winds from a polar orbiting satellite // Proc. Inter. Symp. Electromagnetic Sensing of the Earth from Satellites Miami Beach, FL. 1966. Nov. 22-24. P. R1-R28.
  2. Glazman R.E., Greysukh A. Satellite altimeter measurements of surface wind // J. Geoph. Res. 1993. Vol. 98, No. С2. P. 2475-2483.
  3. Запевалов А.С., Показеев К.В., Пустовойтенко В.В. О предельной точности альтиметрического определения скорости приводного ветра // Исследование Земли из космоса. 2006. № 3. С. 49-54.
  4. Караев В.Ю., Каневский М.Б., Мешков Е.М. Упрощенное описание морского волнения для задач радиолокационного дистанционного зондирования // Исследование Земли из космоса. 2011. № 2. С. 26-39.
  5. Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. - Л.: Гидрометеоиздат. 1985. 375 с.
  6. Данилычев М.В. Использование моделей развитого волнения в радиофизических расчетах В сб. Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн. Материалы II Всероссийской научной конференции по проблемам радиофизики и дистанционного зондирования сред, проводимой в рамках VIII Всероссийских Армандовских чтений. Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВО "Владимирский государственный университет имени им. А.Г. и Н.Г. Столетовых". 2018. С. 451-462.
  7. Cheng Y., Xu Q., Liu Y., Lin H., Xiu P., Yin X., Zong H., Rong Z. An analytical algorithm with a wave age factor for altimeter wind speed retrieval // International Journal of Remote Sensing. 2008. Vol. 29, No. 19. P. 5699-5716.
  8. Melville W.K., Felizardo F.C., Matusov P. Wave slope and wave age effects in measurements of electromagnetic bias // J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109. C07018. doi:10.1029/2002JC001708.
  9. Pierson W.I., Moskovitz L. A prosed spectral form for fully developed wind seas based on the similarity method of S.A. Kitaigorodskii // J. Geophys. Res. 1964. Vol. 69, No. 24. Р. 5181-5190.
  10. Hasselmann K., Barnett T.P., Bouws E., Carlson H., Cartwright H., Cartwright, D.E., Enke K., Ewing J.A., Gienapp H., Hasselmann D.E., Kruseman P., Meerburg A., Müller P., Olbers D.J., Richter K., Sell W., Walden H. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP) // Dtsch. Hydrogr. Z. Suppl. 1973. Vol. A8, No. 12. P. 8-95.
  11. Donelan M.A., Hamilton J., Hui W.H. Directional spectra of wind-generated waves // Philos. Trans. Roy. Soc. 1985. A315. P. 509-562.
  12. Apel J.R. An improved model of the ocean surface wave vector spectrum and its effects on radar backscatter // J. Geophys. Res. 1994. Vol.99, № C8. P. 16269-16291.
  13. Jähne B., Riemer K.S. Two-dimensional wave number spectra of small-scale water surface waves // J. Geophys. Res. 1990. Vol. 95. P. 11531-11546.
  14. Barrick D.T. Rough surface scattering based on the specular point theory // IEEE Trans Antennas and Prop. 1968. Vol. 13. P. 303-310.
  15. Wu S.T., Fung A.K. A noncoherent model for microwave emissions and backscattering from sea surface // J. Geophys. Res. 1972. Vol. 77, No. 30. P. 5917-5929.
  16. Караев В.Ю., Панфилова М.А., Баландина Г.Н., Чу К. Восстановление дисперсии наклонов крупномасштабных волн по радиолокационным измерениям в СВЧ-диапазоне // Исследование Земли из космоса. 2012. № 4. С. 62-77.
  17. Stewart P.H. Introduction to physical oceanography. - Department of Oceanography, Texas A&M University. 2008. 353 p.
  18. Ефимов В.В. Динамика волновых процессов в пограничных слоях атмосферы и океана. - Киев: Наукова думка. 1981. 255 с.
  19. Cox C., Munk W. Measurements of the roughness of the sea surface from photographs of the sun glitter // J. Optical. Soc. America. 1954. V. 44, № 11. P. 838-850.
  20. Wilheit T.T. A Model for the Microwave Emissivity of the Ocean's Surface as a Function of Wind Speed // IEEE Trans. Geosci. Electron. 1979. Vol. GE-17, No.4.
  21. Данилычев М.В., Николаев А.Н., Кутуза Б.Г. Использование метода Кирхгофа для практических расчетов в микроволновой радиометрии взволнованной морской поверхности // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. № 8. С. 915-925.
  22. Liu Y., Yan X.-H. The wind-induced wave growth rate and the spectrum of the gravity-capillary waves // J. Phys. Oceanogr. 1995. Vol. 25. P. 3196-3218.