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».

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Совместный Российско-Китайский проект направлен на изучение взаимодействия океана с тропическими и вне-тропическими циклонами на основе комплексных спутниковых измерений и моделирования с целью дальнейшего практического внедрения результатов исследований в системы спутникового оперативного мониторинга и прогноза развития/эволюции опасных атмосферных явлений и их воздействия на береговую инфраструктуру. На втором году проекта получены следующие результаты: - Исследованы поля поверхностных волн, генерируемых полярными циклонами (ПЦ) и внетропическими циклонами (ВЦ) на основе измерений со спутников Sentinel-3A, Sentinel-3B, Jason-3, CryoSat-2, AltiKa, CFOSAT-SWIM и моделирования с использованием 2-D параметрической модели. Показано, что высоты и длины волн, генерируемых циклонами, намного превышают «ожидаемые» значения, определяемые скоростью ветра и радиусом. В ПЦ волны достигают высот 8м-12м, а в ВЦ – высот 18-20м и длин - 500м. Аномальные значения параметров волн обусловлены эффектом синхронизма между генерируемыми волнами и движущимся полем ветра. Хорошее соответствие модели данным спутниковых измерений указывает на возможность ее применения в качестве инструмента исследования и прогноза волн в экстремальных условиях (см. сопоставление модели с CFOSAT-SWIM на http://www.youtube.com/watch?v=T7w3dLCQ4yo и https://www.youtube.com/watch?v=OjqL5L9e4OE). - Установлено, что из-за асимметрии полей ветра в ПЦ (имеющих форму запятой), параметры волн сильно зависят от расположения зоны шторма относительно направления его движения. Если шторм расположен в правом секторе ПЦ, то волны, двигаясь вместе с циклоном, получают больше энергии и их высоты достигают аномально больших значений. ПЦ - это коротко-живущие циклоны, поэтому, в отличии от тропических циклонов (ТЦ), развитие волн в ПЦ существенно зависит от времени жизни ПЦ. Предложены автомодельные решения, позволяющие проводить быстрые оценки высот и длин волн по ограниченному набору параметров ПЦ: скорость ветра, радиус, скорость перемещения, время жизни (см. примеры расчетов для ПЦ на https://www.youtube.com/watch?v=StsYyurGg7U и на https://www.youtube.com/watch?v=zIowAsvkHlU для ВЦ). - На основе применения модели рассеяния к анализу синхронных наблюдений урагана Эпсилон с РСА RADARSAT-2 (ВВ и ВГ поляризации) и недавно запущенного РСА Radar Constellation Mission (RCM), работающего на ГГ и ГВ поляризациях установлено, что относительный вклад обрушений волн в УЭПР на ВВ и ГГ поляризациях при углах падения 40-50 гр составляет 40% на ВВ и 65% на ГГ, а на кросс поляризации достигает 80%. Обнаружен эффект насыщения коротких Брэгговских волн при ураганных ветрах. Вклад обрушений волн на ГГ и ВВ поляризациях демонстрируют тренд к насыщению, который однако отсутствует на кросс поляризации, что будет являться предметом более детального изучения. - Разработана модель расчета допплеровского сдвига (ДС) РЛ сигнала отраженного от морской поверхности по измерениям УЭПР на ВВ и ГГ поляризациях (модель DPDop, Dual co-Polarized Doppler velocity model). Входным параметром DPDop модели является спектр поверхностных волн (или интегральные параметры спектра) и геометрия РЛ наблюдений. Модель тестирована на прямых измерениях ДС с РСА Sentinel-1B на ВВ поляризации при углах падения 24° и 37°, совмещенных с in situ измерениями спектра волн и ветра с океанических буев, и продемонстрировала свою адекватность (погрешность −0,24 Гц, средне-квадратичная ошибка - 5,55 Гц). Похожие результаты получены при сопоставлении модели с измерениями ДС с Sentinel-1B на глобальных масштабах (Мировой Океан), где в качестве входных параметров для DPDop использовались данные реанализа WAVEWATCH-3 и ECMWF по волнам и ветру. - Модель DPDop применена для вычитания вклада поверхностных волн в ДС измеренного с РСА Sentinel-1B, и получения тем самым истинных скоростей океанических течений. Сопоставление восстановленных по ДС течений с in situ измерениями высоко-частотными береговыми радарами, дало систематическое расхождение −0,04 м/с и среднеквадратичную ошибку 0,15 м/с, что подтверждает возможность использования DPDop модели для восстановления полей океанических течений по спутниковым измерениям. - Создано ПМО для обработки данных измерений AMSR2 уровня Level 1R с целью расчета коэффициента излучения океана с использованием параметризаций зависимости атмосферных параметров излучения от параметров влагосодержания атмосферы. Закончено составление базы данных тайфунов за 2019 - 2021 гг., состоящей из обработанных измерений AMSR2 над траекториями тайфунов и сопутствующих скоростей ветра – от умеренных до ураганных значений. Получены уточненные геофизические модельные функции зависимости приращения излучения океана от скорости приводного ветра для частот С- и X- диапазона для угла наблюдений AMSR2 для умеренных и сильных ветров. - С помощью созданного ПМО обработаны данные измерений МТВЗА-ГЯ с апреля по декабрь 2021 г. и создана база данных сопутствующих измерений AMSR2 с разницей по времени, не превышающей 30 минут. Измерения AMSR2 обработаны алгоритмом восстановления скорости приводного ветра, и результирующие поля ветра сопоставлены с Тя микроволнового излучения океана на каналах 10.6 ГГц, рассчитанным на основании измерений МТВЗА-Гя и данных реанализа ERA5 для учета атмосферных составляющих излучения. - На основании базы данных, состоящей из семи ТЦ, наблюдаемых в районе плюма Амазонки и Ориноко, включающей спутниковые измерения аномалий температуры и солености (ТПО и СПО), данные о параметрах ТЦ, вертикальную термохалинную структуру океана, данные о скорости осадков, проведен анализ отклика океана на прохождение ТЦ. Установлено, что аномалии ТПО и СПО в следе ТЦ усиливаются при увеличении скорости ветра, уменьшении скорости перемещения ТЦ и обострении термоклина; при прохождении ТЦ над речным плюмом, аномалии СПО максимальны. Влияние интенсивных осадков в ТЦ на термохалинный отклик незначительно. Показано, что аномалии ТПО и СПО, нормированные на соответствующие масштабы (включающие скорость ветра, частоту Брента-Вяйсяля, параметр Кориолиса и градиент температуры (солености) в сезонном термоклине) являются универсальными функциями числа Россби ТЦ. - На основе базы спутниковых и in situ наблюдений за 417 ТЦ в период с 2010 по 2020 гг. по всему Мировому океану, проведена оценка качества используемой в проекте модели отклика океана на прохождение ТЦ. Установлено, что модель адекватно воспроизводит аномалии поверхностной солености (СПО) в следе ТЦ, но переоценивает аномалии поверхностной температуры (ТПО), что наиболее выражено для восточной части Тихого океана. Сравнение модельной толщины перемешанного слоя с данными буев Argo, показало, что модель переоценивает толщину, что может объяснять переоценку аномалий температуры. Анализ наблюдений совместно с результатами моделирования при использовании различных параметризаций коэффициента сопротивления, показал, что оптимальной является параметризация, обеспечивающая насыщение ветровых напряжений при ураганных ветрах. Результаты исследований представлены на международных конференциях: (i) European Geosciences Union (EGU-2022), (ii) International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS-2022); (iii) Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS); (iv) XIX конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса". Результаты исследований опубликованы в: - двух статьях в международных журналах из первого квартиля, Q1: “Boundary-Layer Meteorology” (выпуск, посвященный памяти С.С.Зилитинкевича) и “Remote Sensing”, - двух статьях в Трудах конференции “IGARSS-2022 Proceedings” (входит в базу цитирования SCOPUS). Результаты совместного исследования Российской и Китайской команд поданы в виде двух статей в журнал из первого квартиля, Q1: “IEEE Transactions in Geoscience and Remote Sensing”, и в данный момент находятся на доработке (первая статья - «minor revision», вторая статья - «major revision»).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На заключительном третьем году российско-китайского проекта РНФ «Комплексные спутниковые наблюдения и моделирование взаимодействия океана с тайфунами» получены следующие результаты: - Завершены исследования волн, генерируемых внетропическими циклонами (ВТЦ) в Северной Атлантике на основе мульти-сенсорных спутниковых измерений (Sentinel-3A, Sentinel-3B, AltiKa, CryoSat-2, JASON-3, CFOSAT-SWIM) и моделирования с использованием параметрической волновой модели. Данные спутниковых измерений и моделирования показали, что генерация волн в быстродвигающихся ВТЦ начинается на их переднем фронте, на заднем фронте волны достигают максимального развития, и далее покидают область шторма в виде зыби. Для быстрых оценок параметров волн в ВТЦ предложены автомодельные решения, основанные на идее «увеличенного времени развития волн» (extended-duration wave growth). Сравнение параметрической волновой модели, где в качестве входного параметра использовались ежечасные поля ветра по реанализу NCEP/CSFv2, с данными спутниковых измерений показало, что модель обеспечивает надежное и подробное описание пространственно-временного поля волн, генерируемого ВТЦ. Получено, что значения высот и длины волн в ВТЦ достигают экстремально больших значений – 18 м и 500 м соответственно. Установлено, что затухания энергии зыби по мере удаления от штормовой области обратно пропорционально пройденному расстоянию. - Волновая параметрическая модель обобщена на случай учета генерации и распространения волн в условиях неоднородных океанических течений. Основной характеристикой течений, влияющей на эволюцию волн, является завихренность течений, которая искривляет траектории волн, вызывая их фокусировку/расфокусировку и соответствующие изменения энергии. Проведены расчеты эволюции волн на «реальных» океанических течениях в Северной Атлантике. Получено, что при распространении волн навстречу течению возникает эффект захвата волн течением с аномальным ростом энергии волн. Второй примечательный эффект – это рассеяние траекторий волн на суб- и мезо-масштабных океанических вихрях. Это рассеяние приводит к спорадически распределенным в пространстве локальным «всплескам» энергии волн (каустики), связанных с фокусировкой волн при прохождении вихря. Сопоставление полей волн в Северной Атлантике с учетом и без учета течений показывает, что эффект течений приводит к 20-25 % увеличениям высоты и длины волн. - Совместно с китайскими участниками проекта проведены исследования особенностей обратного рассеяния радиоволн при ураганных ветрах на основе квази-синхронных и пространственно совмещенных измерений с РСА RADARSAT-2 (данные С-диапазона на HH и HV поляризации) и RCM (Radar Constellation Mission, данные С-диапазона на VH и VV поляризации). Квази-синхронные РСА измерения были разложены на резонансное (брэгговское) рассеяние и отражения от обрушений ветровых волн. Показано, что брэгговское рассеяние и неполяризованные отражения от обрушений волн насыщается при высоких скоростях ветра. В тоже время, вклад обрушения волн в кросс-поляризации (HV или VH) при ураганном ветре демонстрирует непрерывный рост. Показано, что отражения РЛ сигнала от обрушивающихся волн составляют 40 % и 80 % УЭПР на VV- и HH-поляризациях соответственно и 90% УЭПР на HV- или VH-поляризациях. - Разработанная на предыдущем этапе совместно с китайскими участниками проекта модель формирования доплеровского сдвига РСА сигнала (DPDop модель) применена к анализу РСА Sentinel-1А измерений допплеровской скорости на поверхности океана в урагане Maria в Атлантическом океана. Учет доплеровских сдвигов, вызванных ветровыми волнами, позволил оценить скорости течений по РСА, которые сравнивались с измерениями течений высокочастотными береговыми радарами. Погрешности измерений (RMSE 0,19 м/с) продемонстрировали возможность получения надежных оценок скоростей океанических течений в условиях сильного ветра. - Проведено сравнение параметров циклонов, полученных по данным спутниковых измерений российским МТВЗА-ГЯ и японским AMSR2 с данными реанализа ERA5. Показано, что максимальная скорость ветра в ТЦ по данным МТВЗА-ГЯ для циклонов с интенсивностью ниже 3-ей категории оказалась ниже, чем по данным AMSR2 в среднем на 7 %, а для циклонов 4 и 5 категории – на 10 %, что соответствует разнице между пространственным разрешением полей ветра. Таким образом, измерения МТВЗА-ГЯ возможно использовать для изучения динамики развития ТЦ, но с учетом занижения их интенсивности. Данные ERA5 недооценивают ураганные ветра в среднем на 13 %, а максимальные ветра – на 27 %. - В результате статистического анализа спутниковых альтиметрических наблюдений установлены закономерности формирования аномалии уровня океана в зависимости от интенсивности TC и скорости их перемещения. В частности: более глубокие впадины поверхности соответствуют более сильным и медленным движущимся ТЦ; центр впадин расположены вблизи центра ТЦ, а глубины впадин затухают в направлении, нормальном к траектории. Построенная ранее полуэмпирическая модель применена для оценки аномалий SSH, вызванных ТЦ, где входными параметрами являются параметры ТЦ и реальная стратификация океана. Показано, что полуэмпирическая модель в целом хорошо согласуется со спутниковыми измерениями альтиметрами. - В результате анализа спутниковых измерений аномалий ТПО, вызванных ТЦ, установлено, что толщина перемешанного слоя (ВКС) под ТЦ, нормированная на скорость ветра, параметр Кориолиса и частоту плавучести, является универсальной функцией безразмерной скорости движения ТЦ (скорость движения ТЦ нормированная радиусом ТЦ и параметром Кориолиса). Зависимость безразмерной толщины от безразмерной скорости движения ТЦ близка к степенной с показателем степени -0.5. - Проверка зависимости нормированной толщины ВКС от иных безразмерных параметров, характеризующих ТЦ и его влияние на верхний слой океана, выявило лишь зависимость от отношения частоты плавучести к параметру Кориолиса. Зависимость, хоть и слабая, была аппроксимирована степенным законом с показателем степени -0.19. Включение этой зависимости в параметризацию ВКС привело к улучшению сопоставления модели со спутниковыми аномалиями ТПО, вызванными ТЦ во всех регионах Мирового океана. - Исследован баротропный отклик высоты морской поверхности (SSH) на прохождение полярных циклонов (ПЦ) на основе использования спутниковых альтиметрических измерений (CryoSat-2, Saral, and Sentinel-3) и моделирования с использованием упрощенной модели. Установлено, что аномалии SSH вдоль треков альтиметра имели форму впадины с центром вблизи траектории ПЦ. Наблюдения и модель показали, что наибольшие отрицательные аномалии SSH наблюдались в областях, где скорость перемещения ПЦ была минимальной, а траектория его движения имела радиус кривизны намного меньший баротропного радиуса деформации. Скорости квазигеострофических течений, соответствующие аномалиям SSH в следах ПЦ, достигали 0,15 м/с, что сопоставимо со скоростями течений, наблюдавшимися в Баренцевом море. Результаты работ в отчетном периоде опубликованы в 5 статьях в журналах, индексируемых в WoS и Scopus и входящих в Q1: две статьи в Transactions on Geoscience and Remote Sensing (DOI 10.1109/TGRS.2023.3235829; DOI 10.1109/TGRS.2023.3246771), три статьи в Remote Sensing (https://doi.org/10.3390/rs15071940; https://doi.org/10.3390/rs15092377; https://doi.org/10.3390/rs15174239). Три другие статьи, где представлены результаты, полученные в 2023 году, поданы для публикации в журналы WoS и Scopus, входящие в Q1: Geophysical Research Letter, Geoscience and Remote Sensing Letters, и Transactions on Geoscience and Remote Sensing, где находятся на рассмотрении на стадии рецензирования со статусом «minor revision». Пять из этих восьми статей подготовлены участниками российско-китайского проекта в соавторстве.