КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-47-00038

НазваниеКомплексные спутниковые наблюдения и моделирование взаимодействия океана с тайфунами

РуководительКудрявцев Владимир Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет", г Санкт-Петербург

Годы выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2023 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-509 - Взаимодействие океана и атмосферы

Ключевые словадистанционное зондирование океана, тайфуны, взаимодействие океана и атмосферы, верхний слой океана, ветровые волны, моделирование океана и атмосферы

Код ГРНТИ37.25.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Тайфуны представляют собой экстремальные погодные явления, характеризуемые сильными ветрами, генерацией аномально высоких волн, интенсивными осадками, штормовыми нагонами и наводнениями. Это природное явление наносит катастрофический урон жителям прибрежной зоны и ее инфраструктуре. Несмотря на удаленность России от тропической зоны, актуальность изучения и развития методов прогноза траекторий и интенсивностей тайфунов обусловлена их нередким выходом на остров Сахалин и Приморский край. Данные последних лет свидетельствуют о все более частой трансформации тайфунов во внетропические циклоны, которые выходят на российское побережье и также являются опасным природным явлением. Таким образом, развитие методов мониторинга и прогнозирования генерации тайфунов, их интенсивности и траекторий перемещения является исключительно актуальной задачей, решение которой позволит существенно сократить последствия воздействия тайфунов и связанных с ними внетропических циклонов на население и береговую инфраструктуру. Для эффективного решения этой задачи требуется глубокое понимание динамики тайфунов и их взаимодействия с океанической поверхностью, характеризуемой, в свою очередь, различными и разномасштабными физическими процессами. Несмотря на многочисленные усилия, предпринятые в последние десятилетия, исследования динамики системы тайфун-океан с использованием спутниковых измерений и моделирования крайне ограничены и явно недостаточны. Основной целью данного проекта является заполнение существующего разрыва между дистанционным изучением океана и моделированием динамики океана путем совместных исследований, проводимых Российской и Китайской научными группами. Проект будет базироваться на базе данных спутниковых наблюдений тайфунов над океаном, включающей приоритетно данные о ключевых параметрах - поля ветра, волн, течений, поверхностной температуры и солености. Эти параметры имеют важное значение для изучения взаимодействия ветра с поверхностью океана и формирования тепло- влаго- и массо- обмена, генерации волн, а также для лучшего понимания механизмов отклика океана на прохождение тайфуна и обратного влияния океана, определяющего динамику тайфуна. Совместный Российско-Китайский проект состоит из трех пакетов задач, которые будут решаться под руководством обоих руководителей научных групп. Первый пакет задач нацелен на развитие улучшенных моделей спектра коротких ветровых волн, их обрушений и генерации доминирующих поверхностных волн в тайфунах. Этот пакет содержит также задачи по созданию модели границы раздела океан-атмосфера и процессов тепло- влаго- и массо- обмена на поверхности океана при ураганных ветрах. Решение этих задач используется далее во втором пакете задач для моделирования рассеяния и излучения поверхности океана в области, охваченной тайфуном, и сопоставления результатов моделирования с данными пассивных и активных спутниковых микроволновых измерений. Задачи третьего пакета нацелены на исследования процессов генерации волн и течений ветром в терминах их пространственного распространения и взаимосвязи с параметрами тайфуна (скорость ветра, скорость перемещения, радиус). Важное внимание будет уделено исследованию чувствительности воздействия ураганов на верхний слой океана и эффективности влияния обратной связи океан-тайфун на интенсификацию тайфунов к параметризациям поверхностных коэффициентов сопротивления и обмена энтальпией, предложенных в первом пакете задач. Достижение конечных целей этого амбициозного проекта возможно лишь при объединении усилий и научного опыта двух научных групп. Оба руководителя научных групп имеют значительный опыт и внесли существенный вклад в исследования тропических циклонов как в области анализа спутниковых наблюдений, так и в физическом моделировании. Успешная реализация совместного научного проекта позволит существенно продвинуться в развитии методов спутникового микроволнового мониторинга тайфунов, понимании физики взаимодействия тайфунов с океаном, что приведет, в конечном счете, к значительному улучшению прогнозирования интенсивности и траекторий тайфунов и, следовательно, возможности минимизации их ущерба населению и инфраструктуре прибрежных районов.

Ожидаемые результаты
Тайфуны представляют собой экстремальные погодные явления, характеризуемые сильными ветрами, генерацией аномально высоких волн, интенсивными осадками, штормовыми нагонами и наводнениями. Это природное явление наносит катастрофический урон жителям прибрежной зоны и ее инфраструктуре. Несмотря на удаленность России от тропической зоны, актуальность изучения и развития методов прогноза траекторий и интенсивностей тайфунов обусловлена их нередким выходом на остров Сахалин и Приморский край. Развитие методов мониторинга и прогнозирования генерации тайфунов является исключительно актуальной задачей, решение которой позволит существенно сократить последствия воздействия тайфунов и связанных с ними внетропических циклонов на население и береговую инфраструктуру. Для эффективного решения этой задачи требуется глубокое понимание динамики тайфунов и их взаимодействия с океанической поверхностью, характеризуемой, в свою очередь, различными и разномасштабными физическими процессами. Основной целью данного проекта является заполнение существующего разрыва между дистанционным изучением океана и моделированием динамики океана. Ожидаемыми результатами являются: 1. Полу-эмпирическая модель спектра коротких волн (в диапазоне длин от миллиметров до десятка метров) и характеристик обрушающихся гребней волн, пригодная для использования при ураганных ветрах; результаты тестирования модели на данных спутниковых ко-поляризационных радиолокационных измерений; заключение о достоверности модели. 2. Модель взаимодействия воздушного потока с морской поверхностью при ураганных ветрах, описывающая вклад ветровых волн и их обрушений в формирование потоков тепла, импульса и влаги на поверхности, и учитывающая разрывы гребней волн и генерацию брызг при появлении неустойчивости Кельвина-Гельмгольца; тестирование модели на данных измерений коэффициентов сопротивления и тепло- влаго- обмена, доступных в литературе; заключение о достоверности модели. 3. Параметризация модельных расчетов в виде коэффициентов тепло-, влаго- и массо-обмена при ураганных ветрах; имплементация этих параметризаций в численную модель WRF; моделирование эволюции наблюдаемых тайфунов, заключение о преимуществах новой параметризации для моделирования тайфунов. 4. Двумерная параметрическая модель, описывающая генерацию и эволюцию параметров волн (энергия, частота и направление спектрального пика) в тайфунах/ураганах и результаты ее верификации на эмпирических данных по распределению волн, опубликованных в литературе. 5. Результаты моделирования наблюдаемых распределений волн в тайфунах, установление закономерностей полей генерируемых волн и их зависимостей от параметров тайфуна/урагана (скорость ветра, скорость перемещения, радиус). 6. Автомодельные распределения параметров волн в ураганах/тайфунах, и представление их в форме, удобной для последующего научного и практического использования. 7. Модель 4-х поляризационного рассеяния, объединяющая рассеяние на регулярной поверхности (TSM и SSA-2) и обрушениях волн (в приближении Кирхгоффа), основанная на созданном в проекте описании поверхности при ураганных ветрах. 8. Результаты сопоставления модельных расчетов с данными 4-х поляризационных радиолокационных измерений при ураганных ветрах, оценка вклада обрушений волн в формирование обратного рассеяния, интерпретация особенностей ко- и кросс-поляризационного рассеяния при ураганах. 9. База данных (БД) тропических циклонов за период 2019 – 2021 гг. с сопутствующими спутниковыми измерениями микроволнового излучения радиометром AMSR2, скаттерометрическими измерениями радиолокационного рассеяния, полями ветра по спутниковым данным и самолетными измерениями ветра радиометром SFMR. 10. Модель радиояркостной температуры микроволнового излучения системы океан – атмосфера для параметров измерений AMSR2. 11. Параметризации для оценки атмосферных параметров излучения через параметры атмосферы и океана. 12. Экспериментальные геофизические модельные функции для частот С- и X- диапазона для угла наблюдений AMSR2 для умеренных и сильных ветров. 13. Модель микроволнового излучения на основе модели радиолокационного рассеяния и физической модели морской поверхности, валидированная на основе данных измерений AMSR2 на частотах С- и X- диапазона в тропических циклонах. 14. База данных аномалий поверхностной температуры, солености, уровня и течений при прохождении тайфунов/ураганов по данным комплексных спутниковых активных микроволновых измерений, совместно с данными о траекториях тайфунов и вертикальной стратификации океана. 15. Эмпирические закономерности взаимосвязи характеристик поверхностных аномалий температуры, солености, уровня и течений (амплитуда, форма, асимметрия) с параметрами ТЦ (скорость ветра, скорость перемещения, радиус) и стратификацией океана. 16. Результаты анализа данных спутниковых наблюдений следов тайфуна на поверхности с использованием аналитической и численной моделей отклика океана, учитывающей «стандартные» и новые (созданные в проекте) параметризации коэффициентов сопротивления и тепло- и влаго – обмена. Рекомендации по дальнейшему совершенствованию моделей. Получение указанных выше результатов позволит существенно продвинуться в развитии методов спутникового микроволнового мониторинга тайфунов, понимании физики взаимодействия тайфунов с океаном, что приведет, в конечном счете, к значительному улучшению прогнозирования интенсивности и траекторий тайфунов и, следовательно, возможности минимизации их ущерба населению и инфраструктуре прибрежных районов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект направлен на исследование взаимодействия океана с тропическими циклонами (ТЦ) с использованием комплексных спутниковых микроволновых измерений. Исследуются различные, но взаимосвязанные аспекты этой проблемы, а именно: - ветровые волны и их обрушения, определяющие потоки импульса и тепла, а также обратное рассеяние и излучение радиоволн над океанической поверхностью при ураганных ветрах; - генерация и распространение доминирующих поверхностных волн в области ТЦ; - баротропный и бароклинный отклик океана на прохождение ТЦ. Конечной целью этих исследований является развитие методов оперативного мониторинга и прогнозирования эволюции тайфунов/ураганов на основе спутниковых микроволновых методов и моделирования. На первом году проекта получены следующие результаты: - На основе экспериментальных исследований обрушений волн спектрального пика установлено, что параметры обрушений (длина обрушений, их площадь) пропорциональны крутизне волн пика в кубе и не зависят от скорости ветра. Установленные закономерности соответствуют параметризацией диссипации энергии за счет обрушений, используемой в параметрической модели волн в ураганах. - Построена полуэмпирическая модель обрушения ветровых волн, объединяющая обрушения волн спектрального пика и равновесного интервала. Модель позволяет интерпретировать ранее необъяснимый разброс в данных наблюдений параметров обрушения при различных ветро-волновых условиях. Основное назначение модели – ее использование в задачах анализа и интерпретации данных микроволновых (SMOS, SMAP) измерений в ураганах. - Построена модель атмосферного погранслоя при сильных ветрах, учитывающая влияние волн («регулярных» и обрушающихся) на турбулентные потоки тепла и импульса, а также влияние морских брызг на баланс импульса за счет действия «вихревой силы», приводящей к ускорению воздушного потока падающими каплями при их движении через сдвиг скорости ветра. Предварительные расчеты продемонстрировали, что рассматриваемый эффект брызг способен объяснить уменьшение коэффициента сопротивления и увеличению коэффициента теплообмена на поверхности океана при ураганных ветрах, наблюдаемых экспериментально. - Предложена модель скорости роста волн спектрального пика для умеренных и ураганных ветров, учитывающая эффект модуляций аэродинамической шероховатости. Показано, что подавление модуляций шероховатости при сильных ветрах приводит к падению скорости роста волн спектрального пика. Параметризация этого эффекта включена в модель генерации волн в ураганах. - Разработана 2-мерная параметрическая модель генерации и распространения волн в неоднородном поле ветра, относящаяся к тропическим, внетропическим и полярным циклонам. Модель полностью само-согласована, и описывает эволюцию основных параметров волн (энергия, частота пика и его направление) с учетом ветрового воздействия, нелинейных взаимодействий и диссипации за счет обрушений. Тестирование модели продемонстрировало ее адекватность данным измерений. Параметрическая модель адаптирована к условиям Арктики, включая генерацию волн полярными циклонами (ПЦ). Тестирование модели на данных спутниковых альтиметрических и контактных измерений на платформе продемонстрировало адекватность модели. Обнаружены случаи появления аномально высоких волн в Арктике, связанных с условием резонанса между волнами и движением ПЦ, аналогичного тому, что происходит в ТЦ. На основании экспериментальных исследований, проведенных с применением Допплеровского радиолокатора и видеокамеры, получены оценки УЭПР обрушений волн. Предложена полуэмпирическая модель УЭПР «индивидуального обрушения» и вклада ансамбля обрушений волн в УЭПР поверхности, которая хорошо согласуется с данными измерений. Эта модель далее используется как компонента полной модели УЭПР поверхности моря, включающей также Брэгговское рассеяние и зеркальные отражения. Модель спектра коротких волн, имплементированная в 2х-масштабную Брэгговской модель, продемонстрировала хорошее соответствие данным измерений поляризационной разности ВВ-ГГ в Ки-диапазоне, полученной как из геофизических модельных функций (ГМФ), так и прямых измерений с французско-китайского спутника CFOSAT в диапазоне скоростей ветра от 3 до 20 м/с. Это сравнение подтвердило достоверность модели, что обосновывает возможность ее применение для условий сильных ветров. Модель РЛ рассеяния, описывающая как УЭПР, так и Допплеровский сдвиг частоты с учетом обрушений передана китайскому партнеру для тестирования и исследования Допплеровских сдвигов на морской поверхности, измеряемых по 4-х поляризационным РСА данным с Sentinel 1A, -1B, и их связи с океаническими течениями. - Создана база данных для 68 ТЦ северо-западной части Тихого океана с января 2019 по сентябрь 2021 года, состоящая из сопутствующих данных измерений радиометра AMSR2 уровня Level 1R, скаттерометра ASCAT полного разрешения, снимков спектрорадиометра MODIS со спутников Aqua и Terra, альтиметра SARAL, среднесуточных данных по ТПО и солености верхнего слоя океана, полей ветра по данным ASCAT. В базу занесена информация best track, максимальная скорость ветра и минимальное давление. Проводятся работы по созданию геоинформационной системы – портала для отображения спутниковых измерений и продуктов для исследования тайфунов. - Модифицирована модель Тя микроволнового излучения системы океан – атмосфера для измерений AMSR2. Модель основана на решении уравнения переноса излучения в нерассеивающей атмосфере и использует уточненные модели поглощения микроволнового излучения в кислороде и водяном паре, а также недавно разработанные геофизические модельные функции зависимости коэффициента излучения океана от скорости ветра, применимые в условиях тропических циклонов. На основе анализа результатов модельных расчетов и полей Тя в ТЦ получен критерий для соотношения измерений на разных частотах для исключения из рассмотрения областей с рассеянием сигнала на облачных, дождевых каплях и кристаллах льда. - Получены параметризации для оценки атмосферных параметров излучения с использованием параметров влагосодержания атмосферы - влагозапаса атмосферы WVC и водозапаса облаков LWC. Полученные параметризации использованы для расчета атмосферных параметров микроволнового излучения по данным спутниковых измерений Тя радиометром AMSR2 в тропических циклонах с использованием оценок WVC и LWC, выполненных путем применения разработанных ранее нейронно-сетевых алгоритмов. - Создана база данных об аномалиях поверхностной температуры (ТПО), солености и уровня поверхности океана в следе ураганов/тайфунов, траектории которых проходят через распресненные океанические воды, вызванных стоком р. Амазонка. Значительные изменения вертикальной структуры океана на небольших пространственных масштабах позволят исследовать бароклинный отклик океана на прохождение урагана во всем его многообразии, и проанализировать влияние «барьерного слоя» на формирование следа урагана в ТПО, оказывающего важное влияние на интенсивность урагана. Предварительный анализ показал, что аномалии температуры и солености смещены вправо от траектории движения циклонов, аномалии солености оказываются шире, чем аномалии температуры, глубина аномалий определяется скоростью перемещения циклона и скоростью ветра. Для исследования баротропного отклика океана на прохождение циклонов, в которых бароклинные процессы несущественны, создана база данных следов полярных циклонов (ПЦ) в уровне океана. Предварительный анализ показал, что глубина аномалий уровня в следе ПЦ увеличивается с увеличением скорости ветра и уменьшается с увеличением радиуса циклона и скорости его перемещения. Значения аномалий уровня возрастают при уменьшении глубины океана; это объясняет тот факт, что наиболее хорошо выраженные аномалии уровня в следе циклонов были обнаружены в Баренцевом море. В Баренцевом море среднее значение аномалий уровня в следе циклона составляет 0,2-0,4 м, в некоторых случаях достигая 0,8 м. Результаты первого года проекта опубликованы в 2-х статьях в Journal Geophysical Research Ocean (Q1), в 2-х статьях в Remote Sensing (Q1), в 3-x статьях в трудах конференции IGARSS-2021 (входящих в SCOPUS), в одной статье в трудах конференции PIERS-2021 (входящих в SCOPUS), и одной статье в журнале Экология и Гидрометеорология (из списка ВАК). Доклад и статья, представленная членом научного коллектива аспирантом В. Чешм Сиахи на конференции PIERS-2021, была отмечена как «Best Student Paper Award».

 

Публикации

1. Ардхуин Ф., Алдай М., Юровская М.В. Total Surface Current Vector and Shear From a Sequence of Satellite Images: Effect of Waves in Opposite Directions Journal of Geophysical Research: Oceans, Т. 126, вып. 7, с.1-26 (год публикации - 2021).

2. Заболотских Е.В., Животовская М.А. База данных тропических циклонов для северо-западной части Тихого океана за 2019-2021 гг. -, - (год публикации - ).

3. Заболотских Е.В., Шапрон Б. Estimation Of The Atmospheric Microwave Radiation Parameters In Tropical Cyclones From The AMSR2 Measurement Data 2021 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS Proceedings, doi:10.1109/IGARSS47720.2021.9553892 (год публикации - 2021).

4. Кудрявцев В.Н., Юровская М.В., Шапрон Б. Self-Similarity of Surface Wave Developments Under Tropical Cyclones Journal of Geophysical Research: Oceans, Т.126, вып. 4, c.1-31 (год публикации - 2021).

5. Пиваев П.Д., Кудрявцев В.Н., Кориненко А.Е., Малиновский В.В. Field Observations of Breaking of Dominant Surface Waves Remote Sensing, Т. 13 (16), 3321 (год публикации - 2021).

6. Чешм С.В., Кудрявцев В.Н., Юровская М.В. Surface Waves Generated by Polar Lows: Satellite Observations and Simulations Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2021), - (год публикации - 2021).

7. Чешм С.В., Кудрявцев В.Н., Юровская М.В. Параметрическая модель поверхностных волн в приложении к Арктическим морям Гидрометеорология и экология, № 64, с. 515-530 (год публикации - 2021).

8. Юровская М.В., Кудрявцев В.Н., Шапрон Б. Assessment And Monitoring Of High Sea State Generated By Tropical Cyclones 2021 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS Proceedings, doi: 10.1109/IGARSS47720.2021.9553293 (год публикации - 2021).

9. Юровский Ю.Ю., Кудрявцев В.Н., Гродский С.А., Шапрон Б. Ka-Band Radar Backscattering From Breaking Wind Waves 2021 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS Proceedings, doi: 10.1109/IGARSS47720.2021.9553284 (год публикации - 2021).

10. Юровский Ю.Ю., Кудрявцев В.Н., Гродский С.А., Шапрон Б. Ka-Band Radar Cross-Section of Breaking Wind Waves Remote Sensing, Т.13, вып.10, 1929 (год публикации - 2021).