Запевалов Олександр Сергійович. Статистичні моделі морської поверхні в задачах розсіювання акустичного та електромагнітного випромінювання : Дис... д-ра наук: 04.00.22 - 2008.
Анотація до роботи:
Запевалов О.С. Статистичні моделі морської поверхні у задачах розсіяння акустичного та електромагнітного випромінювання. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 –геофізика. – Морський гідрофізичний інститут НАН України, Севастополь, 2008.
У дисертації на основі результатів натурних досліджень поля морських поверхневих хвиль вивчаються особливості формування полів акустичного й електромагнітного випромінювання, розсіяних на границi океан-атмосфера. Комплексні експерименти проводилися на океанографічній платформі МГI НАН України. Отримані нові дані про ухили морської поверхні, їх зв'язок зі швидкістю вітру, побудовані статистичні моделі, що описують цей зв'язок. Виявлені зміни характеру анізотропії когерентності у вітрових хвилях на масштабах, наближених до масштабу домінантних хвиль, запропоновані фізичні механізми даного явища. Отримані оцінки зміни характеристик розсіяних на морській поверхні акустичних і електромагнітних полів, обумовлених анізотропією коротких вітрових хвиль, а також нелінійними ефектами в полі вітрових хвиль, що призводять до відхилення розподілів ухилів морської поверхні від розподілу Гаусса. Результати досліджень є актуальними для інтерпретації даних дистанційного зондування океану з космосу, а також для розвитку досліджень океану в шельфовій зоні методами акустичної томографії.
Інтерпретація і можливості використання даних дистанційних вимірювань в океані багато в чому визначаються моделями, що зв'язують характеристики морської поверхні з процесами в приграничних шарах атмосфери й океану, а також моделями, що описують розсіяння випромінювання на границi океан-атмосфера. Для побудови подібних моделей необхідні достовірні вхідні дані у формі детальних статистичних характеристик поля морських поверхневих хвиль. У дисертаційній роботі виконаний цикл натурних експериментальних досліджень по вивченню мінливості статистичних характеристик морської поверхні в різних гідрологічних і метеорологічних ситуаціях. На основі даних натурних експериментів проведений аналіз особливостей формування полів електромагнітного й акустичного випромінювання, розсіяних на границi океан-атмосфера.
Подані в роботі результати досліджень можна розділити на дві групи. Перша група містить нові дані про шорсткість морської поверхні:
1.1. За даними експериментальних досліджень, які були здійснені на океанографічній платформі ЕВ МГI НАН України за допомогою двовимірного лазерного уклономіра, уточнені моделі, що описують зв'язок статистичних характеристик ухилів морської поверхні з процесами, що протікають у приграничних шарах атмосфери й океану.
1.2. Незначна розбіжність між результатами [Cox, Munk, 1954], отриманими за вимірюваннями на майданчику (по аерофотографії сонячних відблисків), і нашими даними, отриманими при вимірюваннях у точці, свідчить на користь гіпотези про ергодичність морського вітрового хвилювання і дозволяє використовувати результати досліджень локальних характеристик поля ухилів для побудови моделей, що описують формування зображень морської поверхні при дистанційному зондуванні.
1.3. Проаналізована можливість апроксимації густини ймовірності компонент ухилів морської поверхні моделями, побудованими за експериментальними оцінками статистичних моментів до четвертого порядку включно. Показані обмеження апроксимацій, побудованих на основі ряду Грама-Шарльє, обумовлені появою негативних значень при великих значеннях ухилів. Запропонована модель є вільною від цього недоліку.
1.4. Встановлено, що в штучних і природних слiках значення моментів третього і четвертого порядку двовимірного розподілу ухилів близькі між собою і не залежать від швидкості вітру. Статистики штучних і природних слiкiв відрізняються один від одного тільки динамікою зміни дисперсії ухилів: при швидкості вітру вище 1.7 м/с зростання дисперсії ухилів у природних сліках із зростанням швидкості вітру відбувається приблизно в 10 разів швидше, ніж в штучних.
1.5. Експериментально встановлено, що на масштабах домінантних хвиль когерентність у подовжньому (щодо генерального напрямку розповсюдження хвиль) напрямку знижується швидше, ніж у поперечному. Анізотропія когерентності (відношення когерентності, визначеної в поперечному і подовжньому напрямі при фіксованій відстані) міняє свій характер на масштабі другої просторової гармоніки домінантної хвилі. Нелінійні ефекти в полі морських вітрових хвиль приводять до того, що існуючі оцінки функції кутового розподілу хвильової енергії є ширше направленими, ніж реальний розподіл.
До другої групи результатів відносяться отримані на основі даних натурних досліджень шорсткості морської поверхні висновки про особливості дистанційного зондування океану:
2.1. Присутність поверхневих хвиль довших, ніж бреггівські складові, приводить до зміни локального кута падіння радіохвиль і акустичних хвиль на морську поверхню, наслідком якої є збільшення частки розсіяного назад випромінювання. Для радіохвиль зростання величини перетину зворотного розсіяння залежить від типу поляризації, а також кута падіння, і при швидкостях вітру вище 10 м/с для радіохвиль міліметрового діапазону може складати 200 %. Для акустичних хвиль міліметрового діапазону зміна коефіцієнта розсіяння досягає 175 %. Для акустичних хвиль дециметрового діапазону необхідно враховувати анізотропію кутового розподілу поверхневих хвиль, зміна досягає 90 % при зондуванні у напрямі розповсюдження поверхневих хвиль і 40 % при зондуванні в поперечному напрямі.
2.2. Встановлено, що зв'язки між параметрами відблисків дзеркального відбиття і характеристиками морської поверхні (такими як статистики ухилів, середньоквадратичнi амплітуди складових хвильового поля) не є детермінованими, а мають стохастичний характер. Показана принципова можливість визначення ухилів за даними лазерного зондування на основі статистичних моделей. Побудовані регресійні рівняння, що зв'язують статистику відблисків з ухилами морської поверхні.
2.3. Аналіз впливу нелінійних ефектів в полі морських поверхневих хвиль на результати лазерного зондування показав, що при кутах зондування, близьких до нульових, ймовiрнiсть реєстрації в середньому вища, ніж для Гауссової поверхні, в окремих випадках перевищення може досягати 29 %. При зондуванні під кутами від 10 до 15 ймовiрнiсть в середньому нижча, в окремих випадках розбіжність може складати більше 40 %.
2.4. Показано, що розкид статистичних характеристик ухилів морської поверхні при фіксованій швидкості вітру приводить до середньоквадратичної похибки альтиметричного визначення швидкості приводного вітру, рівної 1.73 м/с.
2.5. Встановлено, що вплив анізотропії ухилів морської поверхні на величину коефіцієнта віддзеркалення залежить від кута опромінювання, із збільшенням кута падіння вiн росте. При 10 середня помилка при розрахунку коефіцієнта розсіяння в рамках ізотропної моделі хвильового поля може досягати 6 %, при 15 вона може перевищувати 50 %. Найбільш сильний вплив анізотропії проявляється при слабких вітрах у ситуаціях, коли значення кута падіння значно перевищують кути локальних нахилів поверхні. Усередині конуса, відповідного кутам падіння до 15, вплив відхилень розподілу ухилів від розподілу Гаусса приводить, як правило, до зміни коефіцієнта віддзеркалення в межах ±20 %, тільки при слабких вітрах було зафіксовано декілька ситуацій, коли зміна його величини наближалася до 100 %.
2.6. Досліджено вплив азимутного розподілу енергії поверхневих хвиль на спектр, що генерується ними в результаті нелінійних міжхвильових взаємодій акустичного випромінювання. Встановлено, що, незалежно від типу кутового розподілу енергії поверхневих хвиль, основний внесок в спектр акустичного випромінювання дають складові хвильового поля, якi розповсюджуються у напрямку, близькому до ортогонального по відношенню до вектора швидкості вітру.
Публікації автора:
Періодичні видання
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Шутов А.П., Смолов В.Е., Опыт измерения широкополосного спектра ветрового волнения в открытом океане // Морской гидрофизический журнал.- 1986.- № 6.- С. 28-32.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Шутов А.П. Проявление интенсивных внутренних волн в гидрофизических полях приповерхностного слоя океана // Морской гидрофизический журнал.- 1987.- № 4.- С. 30-37.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е. О предельной точности скаттерометрического определения со спутника скорости ветра над океаном // Исследование Земли из космоса.- 1987.- № 2.- С. 57-65.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С. Термические и динамические составляющие короткопериодных флуктуаций скорости звука вблизи поверхности океана // Акустический журнал. - 1988. - Т. 34, Вып .4. - С. 638-643.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е Измерения продольной когерентности в короткопериодных ветровых морских волнах // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана.- 1989.- Т. 25, № 6.- С. 636-643.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е Пространственные изменения когерентности в морских ветровых волнах // Доповіді АН України. Сер. Математика, природознавство, технічні науки. . - 1991. - № 2. - С. 94-97.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е Продольная и поперечная когерентность в энергонесущих ветровых морских волнах // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. - 1991. - Т. 27, № 8. - С. 887-889.
Запевалов А.С., Христофоров Г.Н. Передаточная функция дифференциального волнографа // Морской гидрофизический журнал. - 1991. - № 2. - С. 14-21.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е, Бабий М.В. Межчастотные корреляционные связи в морских ветровых волнах // Доповіді АН України. Сер. Математика, природознавство, технічні науки. - 1992.- № 8. - С. 125-128.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Бабий М.В. Статистические характеристики уклонов морской поверхности при разных скоростях ветра // Океанология.- 1992.- Т.32, Вып. 3.- С. 452-459.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Бабий М.В. Измерения параметров шероховатости морской поверхности при переходе от штиля к ветровому волнению // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. - 1992. - Т. 28, № 4. - С. 424-431.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е Зависимость амплитудных характеристик высокочастотных компонент спектра ветровых волн от скорости ветра над морем // Морской гидрофизический журнал.- 1993.- № 3.- С. 67-77.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е., Бабий М.В. Корреляции между высокочастотными ветровыми волнами и ветром над морем // Доповіді АН України. Сер. Математика, природознавство, технічні науки. - 1993. - № 9. - С. 113-117.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е., Фельдман Ю.Р. Лазерная локация топографических неоднородностей на шероховатой морской поверхности // Морской гидрофизический журнал.- 1993.- № 6.- С.64-73.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е. Анизотропия пространственно-временных связей в морских ветровых волнах // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. - 1995. - Т. 31, № 5. - С. 692-700.
Запевалов А.С. Об оценке функции углового распределения энергии морских доминантных волн // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. - 1995. - Т. 31, № 6. - С. 835-841.
Запевалов А.С., Смолов В.Е. Моделирование спектральных характеристик морских ветровых волн в задачах дистанционного зондирования // Исследование Земли из космоса. - 1996. - № 6.- С. 71-77.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С. Развитие летнего апвеллинга вблизи Южного берега Крыма // Метеорология и гидрология. - 1997. - № 7. - С. 64-71.
Христофоров Г.Н., Запевалов А.С. Смолов В.Е. Временная изменчивость термической структуры в районе Южного берега Крыма // Морской гидрофизический журнал. - 1997.- № 1. - С. 33-40.
Запевалов А.С., Христофоров Г.Н. Изменчивость поля скорости ветра в прибрежной зоне Черного моря // Метеорология и гидрология. - 1999. - № 4. - С. 77-83.
Запевалов А.С. Натурные исследования изменчивости определяющих отражение света характеристик морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. - 2000. - № 2. - С. 23-32.
Запевалов А.С. Натурные исследования анизотропии уклонов морской поверхности на масштабах коротких гравитационных и гравитационно-капиллярных волн // Исследование Земли из космоса. - 2000. - № 3. - С. 21-25.
Запевалов А.С. Изменчивость характеристик лазерного сигнала при зондировании морской поверхности // Океанология, 2000. - Т. 40, № 5. - С. 785-790.
Запевалов А.С. Зависимость статистики бликов зеркального отражения при лазерном зондировании морской поверхности от характеристик ее локальных уклонов // Оптика атмосферы и океана. - 2000. - Т. 13, № 12. - С. 1123-1127.
Запевалов А.С. Наблюдения шероховатости морской поверхности в период апвеллинга // Морской гидрофизический журнал. - 2001. - № 2. - С. 36-43.
Запевалов А.С. Экспериментальное определение плотности вероятности модуля уклона морской поверхности // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. - 2001. - Т. 37, № 2. - С. 249-256.
Запевалов А.С. Статистические характеристики модуля уклона морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. - 2002. - № 1. - С. 51-59.
Запевалов А.С., Ратнер Ю.Б Эффекты квазигауссового характера распределения уклонов морской поверхности при лазерном зондировании // Оптика атмосферы и океана. - 2002. - Т. 15. - № 10. - С. 925-928.
Запевалов А.С., Ратнер Ю.Б Аналитическая модель плотности вероятностей уклонов морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. - 2003. - № 2. - С. 3-17.
Запевалов А.С., Большаков А.Н., Смолов В.Е. Исследования уровня когерентности морских поверхностных волн // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. - 2004. - Т. 40, № 4. - С.545-549.
Запевалов А.С. Вероятность бликов зеркального отражения при наклонном зондировании морской поверхности // Океанология. - 2005. - Т. 45, № 1. - С. 16-20.
Запевалов А.С. Изменчивость характеристик локальных уклонов морской поверхности // Прикладная гидромеханика. - 2005. - Т. 7(79), № 1. - С. 17-21.
Запевалов А.С., Показеев К.В., Пустовойтенко В.В. О соотношении брегговских и зеркальных составляющих при рассеянии радиоволн квазигауссовой морской поверхностью // Космические науки и технологии. - 2006. - Т. 9. - № 5/6. - С. 23-29.
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.
Запевалов А.С. Бимодальное угловое распределение энергии ветровых волн и его влияние на акустический шум, генерируемый морской поверхностью // Акустичний вісник. - 2006. - Т. 9, № 1. - С. 40-44.
Запевалов А.С. Влияние длинных поверхностных волн на резонансное рассеяние акустического излучения в обратном направлении // Акустичний вісник. - 2006. - Т. 9, № 3. - С. 36-41.
Запевалов А.С. Влияние анизотропии волнения морской поверхности на генерацию акустического излучения // Акустический журнал. - 2007. - Т. 53, № 1. - С. 86-91.
Запевалов А.С. К расчету коэффициента рассеяния высокочастотного звука на морской поверхности // Акустический журнал. - 2007. - Т. 53, № 5. - С. 603-610.
Збірники наукових праць
Запевалов А.С. О возможности определения характеристик уклонов морской поверхности путем лазерного зондирования // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа, Севастополь, МГИ НАН Украины. - 2000. - С. 305-312.
Запевалов А.С., Ратнер Ю.Б. Вероятность бликов зеркального отражения при лазерном зондировании в надир движущейся квазигауссовой поверхности // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа, Севастополь: МГИ НАН Украины. - 2002. - № 1 (6). - С. 262-267
Запевалов А.С., Пустовойтенко В.В. О точности скаттерометрического определения скорости приводного ветра // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа, Севастополь: МГИ НАН Украины. - 2004, Вып. 11. - С. 262-267.
Авторські свідоцтва і патенти
А.с. № 1635008 СССР, МКИ G01 H 3/00 Способ измерения спектров короткопериодных поверхностных волн / Запевалов А.С. (CCCP). - № 4605044; Заявлено 14.11.1988, Опубл. 15.03.91, Бюл. № 10.
