| 16. |
Аннотация |
Основной научной проблемой, на решение которой направлен проект, является создание новых методов для описания волновых полей, порождаемых экстремальными атмосферными явлениями (полярные (ПЦ), тропические (ТЦ) и внетропические циклоны) для их дальнейшего использования в задачах оперативного мониторинга и прогноза аномально высоких волн, представляющих опасность для судоходства и береговых сооружений, и ассимиляции в моделях динамики системы океан-атмосфера. Актуальность решения этой проблемы для Российской Федерации связана с увеличением числа ПЦ в освободившихся ото льда акваториях Арктики, участившимися заходами ТЦ в дальневосточные моря России и подтвержденной возможностью развития квази-тропических циклонов в Черном море.
Поверхностные волны являются важнейшей составляющей системы океан-атмосфера, контролируют обмен количеством движения и теплом между океаном и атмосферой, газообмен за счет обрушений волн, обеспечивают горизонтальные потоки массы и динамические напряжения, влияющие на уровень моря в прибрежной зоне и размыв берегов, и оказывают разрушающее воздействие на береговую инфраструктуру. Это требует регулярного получения информации о полях поверхностных волн, генерируемых циклонами, на основе моделирования, спутниковых и контактных измерений. Хотя современные спектральные волновые модели предоставляют подробную информацию о волнах, порождаемых циклонами, ограничения, связанные с высокими требованиями к компьютерным мощностям, точности информации о поле ветра, необходимость рассмотрения нескольких ансамблей решений, и др., побуждают к разработке более простых, но надежных решений. В данном проекте предлагается использование альтернативного подхода к описанию полей волн, генерируемых циклонами, основанного на применении параметрической модели, следующей из фундаментальных законов сохранения энергии и количества движения в волнах, требующей минимальных вычислительных ресурсов. На основании модельных расчетов предлагаются автомодельные решения, предоставляющие возможность «мгновенного» описания поля волн на основе минимального набора входных параметров циклона (скорость перемещения, радиус и скорость максимального ветра). ТЦ и ПЦ, генерируя ветровые волны и инерционно-ветровые течения, оказывают значительное воздействие на верхний слой океана, вызывая бароклинные движения, вертикальное перемешивание и эрозию термоклина.
Возможность измерения течений в ТЦ и ПЦ, играет ключевую роль для понимания и исследования прямых и обратных связей между ТЦ и океаном. Поэтому в последние годы активное развитие получили спутниковые проекты, нацеленные на измерение полей океанических течений при помощи допплеровских скаттерометров. Для спутниковых скаттерометров нового поколения характерно использование радиоволн Кu- и Ка-диапазона, что позволяет максимально увеличить точность определения доплеровского сдвига частоты, необходимого для оценки скорости поверхностного течения. Поверхностные волны оказывают значительное влияние на допплеровский сдвиг радиолокационного (РЛ) сигнала. Поэтому, одним из важных приложений предлагаемой модели волн, является возможность оценки их вклада в измеряемый допплеровский сигнал и его коррекция с целью восстановления требуемых скоростей поверхностных течений в ТЦ. Вместе с тем, использование Кu- и Ка-диапазона приводит к высокой чувствительности РЛ сигнала к обрушениям волн и брызгам, исследованию которых уделяется значительное внимание.
В проекте определено 4 блока взаимосвязанных задач:
«Модели», - развитие новой параметрической модели и исследования особенностей генерации волн циклонами; поиск автомодельных решений для описания поля волн в циклонах; полуэмпирические модели и распределения обрушений волн в циклонах;
«Измерения», - создание базы спутниковых и сопутствующих измерений полей волн, ветра и параметров ТЦ; установление эмпирических закономерностей полей ветровых волн и излучаемой зыби в зависимости от характеристик ТЦ; экспериментальные исследования обрушений волн и допплеровского РЛ сигнала в Ка-диапазоне при сильных ветрах с океанографической платформы;
«Моделирование и интерпретация», - моделирование полей волн для наблюдаемых ТЦ и верификация модели и проверка автомодельности полей волн в циклонах; создание практической модели раннего предупреждения о появлении аномально высоких волн; вероятностные оценки полей волн, генерируемых статистическим ансамблем ПЦ в Российской Арктике, и их климатические тренды.
“Приложения к развитию спутниковых методов», - оценка полей средних допплеровских сдвигов РЛ сигнала в Ка- и Кu- диапазонах, связанных с волнами в ТЦ, с целью определения возможности и точности применения спутниковых доплеровских скаттерометров для измерения полей поверхностных течений в ТЦ; особенности ко-поляризационного РЛ рассеяния в Кu- и Ка-диапазонах для изучения механизмов его формирования при ураганных ветрах и улучшения методов восстановления полей скорости ветра в ураганах.
Предлагаемая в проекте модель является обобщением теории подобия для поверхностных волн. Предполагается впервые получить автомодельные решения, полностью описывающие поля волнения в циклоне по его основным параметрам. Для валидации моделей и исследования частных случаев, планируется использование натурных и спутниковых данных, имеющихся в открытых источниках, и архивных данных, полученных участниками проекта в ходе экспедиционных работ на океанографической платформе. База спутниковых данных будет включать измерения полей ветра и волн в районах циклонической активности при помощи спутников CFOSAT, ASCAT-A, ASCAT-B, SCATSAT, Sentinel-1a,b,c, Sentinel-2, Sentinel-3, Jason-3, дополненных данными с волнографических буев. Натурные эксперименты будут проведены с Черноморской океанографической платформы на базе уникального приборного комплекса для подспутниковых экспериментов. Планируется создание специальной автоматизированной системы наблюдения, где запуск приборов будет выполняться удаленно, что обеспечит возможность работы в опасных условиях ураганного ветра. |