RU2548120C1 - Remote determination of surface wind velocity - Google Patents
Remote determination of surface wind velocity Download PDFInfo
- Publication number
- RU2548120C1 RU2548120C1 RU2014151922/93A RU2014151922A RU2548120C1 RU 2548120 C1 RU2548120 C1 RU 2548120C1 RU 2014151922/93 A RU2014151922/93 A RU 2014151922/93A RU 2014151922 A RU2014151922 A RU 2014151922A RU 2548120 C1 RU2548120 C1 RU 2548120C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wind speed
- signal
- water surface
- wind velocity
- reflected
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно предназначено для определения скорости ветра над морской поверхностью.The invention relates to the field of oceanographic measurements and is primarily intended for determining wind speed over a sea surface.
В настоящее время общепризнано, что определение скорости ветра средствами дистанционного зондирования является единственной возможностью получения в глобальном масштабе информации о поле ветра над морской поверхностью. В основе радиолокационного определения скорости приводного ветра лежит простая и наглядная схема: ветер изменяет шероховатость морской поверхности - изменение шероховатости приводит к изменению уровня рассеянного назад радиосигнала Предполагается, что сечение обратного рассеяния σ связано со скоростью ветра W функциональной зависимостьюIt is now generally accepted that determining wind speed using remote sensing is the only way to obtain global information about the wind field above the sea surface. The radar determination of the drive wind speed is based on a simple and clear diagram: the wind changes the roughness of the sea surface - a change in roughness leads to a change in the level of the backscattered radio signal. It is assumed that the backscattering cross section σ is related to the wind speed W by a functional dependence
Определение вида этой функциональной зависимости (калибровка установленных на космических аппаратах радиолокаторов как измерителей скорости ветра) осуществляется путём сопоставления данных радиолокационных измерений и прямых измерений скорости ветра, выполняемых с метеорологических буёв или судов. В качестве оценки точности спутниковых измерений обычно используется среднеквадратическая погрешность между значениями скорости ветра, определенными по данным радиолокационных измерений, и значениями скорости, измеренными с буев. Достигнутая точность составляет примерно 1.7 м/с [1]. Она была получена уже в первых алгоритмах, где в качестве единственного предиктора использовалось сечение обратного рассеяния, и для однопараметрических моделей не улучшена до сих пор.The type of this functional dependence (calibration of radars installed on spacecraft as wind speed meters) is determined by comparing data from radar measurements and direct measurements of wind speed performed from meteorological buoys or ships. As an estimate of the accuracy of satellite measurements, the standard error is usually used between the wind speed values determined from the radar measurements and the speed values measured from the buoys. The achieved accuracy is approximately 1.7 m / s [1]. It was obtained already in the first algorithms, where the backscattering cross section was used as the only predictor, and has not been improved for single-parameter models so far.
Кроме ветра существует еще ряд физических факторов, влияющих на уровень шероховатости морской поверхности - это поверхностные течения, загрязнения, изменения стратификации приводного слоя атмосферы и так далее. Ограничение предельной точности дистанционного определения скорости приводного ветра обусловлено тем, что одной и той же его скорости ветра могут соответствовать структуры морской поверхности с разными характеристиками [2, 3]. Естественным путём повышения точности определения скорости приводного ветра является увеличение числа определяемых параметров, характеризующих состояние морской поверхности.In addition to the wind, there are a number of physical factors affecting the level of roughness of the sea surface - these are surface currents, pollution, changes in the stratification of the atmospheric drive layer, and so on. The limiting accuracy of the remote determination of the speed of the driving wind is limited due to the fact that the same wind speed can correspond to the structure of the sea surface with different characteristics [2, 3]. A natural way to increase the accuracy of determining the wind speed is to increase the number of determined parameters characterizing the state of the sea surface.
Известен однопараметрический способ определения скорости приводного ветра [4] с помощью радиолокационного альтиметра. В этом способе скорость ветра определяется по уровню отраженного назад водной поверхностью радиосигнала. Этот признак является сходным с признаком заявленного изобретения. Однако уровень отраженного сигнала является единственным параметром, на основе которого в приведенном аналоге определяется скорость. Это обусловливает недостаточную точность определения скорости ветра таким методом вследствие влияния на уровень шероховатости отражающей водной поверхности физических факторов, слабо коррелированных со скоростью ветра, таких, как поверхностное течение.The known one-parameter method for determining the speed of the drive wind [4] using a radar altimeter. In this method, the wind speed is determined by the level of the radio signal reflected back by the water surface. This feature is similar to the feature of the claimed invention. However, the level of the reflected signal is the only parameter on the basis of which the speed is determined in the given analogue. This leads to insufficient accuracy in determining the wind speed by this method due to the influence of physical factors weakly correlated with wind speed, such as surface flow, on the roughness level of the reflecting water surface.
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является дистанционный способ измерения скорости приводного ветра [5], основанный на использовании характеристик радиосигнала, получаемого при зондировании поверхности моря в надир, реализованный с помощью радиолокационных альтиметров. Следующие признаки прототипа совпадают с существенными признаками заявленного изобретения: облучение морской поверхности в надир, регистрация отражённого сигнала, расчёт по крутизне переднего фронта отраженного радиосигнала значимой высоты волны [6], определение скорости ветра по уровню рассеянного назад сигнала с учётом значимой высоты волны.The closest to the invention in terms of features, and therefore selected as a prototype, is a remote method for measuring the driving wind speed [5], based on the use of the characteristics of the radio signal obtained by sensing the sea surface in nadir, implemented using radar altimeters. The following features of the prototype coincide with the essential features of the claimed invention: irradiating the sea surface with a nadir, registering the reflected signal, calculating the steepness of the leading edge of the reflected radio signal of significant wave height [6], determining the wind speed from the level of the backscattered signal taking into account the significant wave height.
Недостатком прототипа является ограниченная точность измерений скорости ветра из-за фактора влияния поверхностного течения на поверхностные волны. Короткие ветровые волны являются основными элементами морской поверхности, формирующими отраженный от неё радиосигнал. Эти волны под воздействием течения изменяют свои характеристики, что приводит к изменению характеристик отраженного сигнала. Соответственно одной и той же скорости приводного ветра в присутствии или в отсутствии поверхностного течения будут соответствовать разные уровни отраженного водою излучения, что приводит к погрешности определения скорости ветра.The disadvantage of the prototype is the limited accuracy of the measurement of wind speed due to the influence factor of the surface current on surface waves. Short wind waves are the main elements of the sea surface, forming a radio signal reflected from it. These waves under the influence of the flow change their characteristics, which leads to a change in the characteristics of the reflected signal. Correspondingly, the same speed of the driving wind in the presence or absence of a surface current will correspond to different levels of radiation reflected by the water, which leads to an error in determining the wind speed.
Физический механизм воздействия течений на спектр короткопериодных поверхностных волн, которые являются основными рассеивателями электромагнитного излучения для средств дистанционного зондирования, изучен достаточно хорошо (например, [7]). Получены аналитические выражения, описывающие изменение энергии отдельных спектральных составляющих в зависимости от скорости и направления течения.The physical mechanism of the effect of currents on the spectrum of short-period surface waves, which are the main scatterers of electromagnetic radiation for remote sensing, has been studied quite well (for example, [7]). Analytical expressions are obtained that describe the change in the energy of individual spectral components depending on the speed and direction of the flow.
В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного определения скорости ветра над акваторией по уровню отраженных водной поверхностью радиосигналов, которому присуще новое техническое свойство - увеличение числа определяемых параметров, характеризующих состояние водной поверхности. За счет этого обеспечивается технический результат изобретения - возможность учитывать вклад поверхностного течения в уровень отраженных радиосигналов, что повышает точность определения скорости приводного ветраThe basis of the invention is the task of creating a method for remote determination of wind speed over the water by the level of radio signals reflected by the water surface, which has a new technical property - an increase in the number of determined parameters characterizing the state of the water surface. This ensures the technical result of the invention is the ability to take into account the contribution of surface current to the level of reflected radio signals, which increases the accuracy of determining the speed of the drive wind
Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения скорости приводного ветра, согласно которому установленным на космическом аппарате альтиметром облучают водную поверхность, регистрируют отражённый назад сигнал, по фронту радиоимпульса определяют значимую высоту волн и определяют скорость ветра по величине отраженного назад сигнала с учётом значимой высоты волн, новым является то, что по времени прохождения сигнала до поверхности и обратно определяют крупномасштабный рельеф поверхности, по нему рассчитывают поле поверхностного течения и учитывают влияние поля течения на величину отражённого назад сигнала.The problem is solved in that in the method of remote determination of the speed of the driving wind, according to which the altimeter installed on the spacecraft irradiates the water surface, the signal reflected back is recorded, the significant wave height is determined from the front of the radio pulse and the wind speed is determined from the value of the signal reflected back taking into account the significant height waves, new is that by the time the signal travels to the surface and vice versa, a large-scale relief of the surface is determined, I calculate from it t is the surface flow field and the effect of the flow field on the magnitude of the signal reflected back is taken into account.
Альтиметрические измерения со спутников с помощью радиолокаторов, ставших доступными в последнее десятилетие, существенно расширяют возможности исследования процессов в море. Зная определённый с помощью альтиметра уровень (крупномасштабный рельеф) морской поверхности, рассчитывают поле поверхностного течения. Так, на основе данных альтиметрических измерений со спутников ERS-1 и TOPEX/Poseidon рассчитывался динамический уровень с точностью, которая позволяет изучать динамику поверхностного слоя Черного моря [8]. В настоящее время для Черного моря разработаны модели, в которых усваиваются альтиметрические данные об уровне Черного моря, позволяющие с высокой точностью описывать поле поверхностных течений [9].Altimetry measurements from satellites using radars, which have become available in the last decade, significantly expand the possibilities of studying processes in the sea. Knowing the level determined by the altimeter (large-scale relief) of the sea surface, the surface current field is calculated. So, on the basis of altimetry measurements from the ERS-1 and TOPEX / Poseidon satellites, the dynamic level was calculated with an accuracy that allows us to study the dynamics of the surface layer of the Black Sea [8]. At present, models have been developed for the Black Sea, in which altimetry data on the Black Sea level are assimilated, which make it possible to describe the field of surface currents with high accuracy [9].
Для осуществления заявленного способа предварительно проводится, с помощью метеорологических буёв, калибровка спутниковых альтиметров как измерителей скорости ветра. Процедура сопоставления с данными прямых in situ измерений различных параметров является наиболее распространенной процедурой калибровки средств дистанционного зондирования [1, 5, 10]. В данном случае в результате калибровки строятся регрессионные уравнения, в которых скорость ветра является функцией трёх параметров: уровня отражённого назад радиосигнала, крутизны фронта и скорости течения. Это позволяет дополнительно учитывать зависимость отраженного от морской поверхности радиосигнала от скорости поверхностного течения, которая в прототипе не учитывалась.To implement the inventive method, preliminary, using meteorological buoys, calibration of satellite altimeters as wind speed meters is carried out. The comparison procedure with direct in situ measurements of various parameters is the most common calibration procedure for remote sensing devices [1, 5, 10]. In this case, as a result of calibration, regression equations are constructed in which the wind speed is a function of three parameters: the level of the backward reflected radio signal, the steepness of the front, and the speed of the current. This allows you to additionally take into account the dependence of the reflected from the sea surface of the radio signal from the surface velocity, which is not taken into account in the prototype.
Способ реализуется следующим образом. Спутник с установленным на нём альтиметром пролетает над морем. Альтиметром облучается морская поверхность и регистрируется отражённый назад радиосигнал. По форме фронта регистрируемого радиоимпульса определяют значимую высоту поверхностных волн. Измеряя время прохождения радиоимпульса от космического аппарата до морской поверхности и обратно, определяют рельеф поверхности на масштабах, больших, чем длина доминантных поверхностных волн. Зная рельеф поверхности, рассчитывают поле поверхностного течения. Далее по величине отраженного назад сигнала с помощью предварительно построенных калибровочных кривых определяют скорость ветра, учитывая при этом высоту значимых волн и скорость поверхностного течения.The method is implemented as follows. A satellite with an altimeter mounted on it flies over the sea. The sea surface is irradiated with an altimeter and the radio signal reflected back is recorded. The shape of the front of the detected radio pulse determines the significant height of the surface waves. By measuring the propagation time of the radio pulse from the spacecraft to the sea surface and vice versa, the surface topography is determined at scales larger than the length of the dominant surface waves. Knowing the surface topography, the surface flow field is calculated. Then, according to the magnitude of the signal reflected back, using the previously constructed calibration curves, the wind speed is determined, taking into account the height of the significant waves and the speed of the surface current.
Использованные источники:Used sources:
1. Караев В.Ю., Каневский МБ., Баландина Г.Н., Коттон Д. Трехпараметрический алгоритм определения скорости приповерхностного ветра по данным радиоальтиметрических измерений // Исследование Земли из космоса. -1999. -Ко 6. -С. 33-41.1. Karaev V.Yu., Kanevsky MB., Balandina G.N., Cotton D. Three-parameter algorithm for determining the surface wind speed from radio-altimetry measurements // Research of the Earth from space. -1999. -Co 6. -C. 33-41.
2. 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. 57-65.2. Khristoforov G.N., Zapevalov A.S., Smolov V.E. On the extreme accuracy of scatterometric determination from a satellite of wind speed over the ocean // Earth exploration from space.- 1987.- No. 2.- P. 57-65.
3. 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 НАНУ. - 2004. - Вып. 11. - С. 262-267.3. Zapevalov A.S., Pustovoitenko V.V. On the accuracy of scatterometric determination of the drive wind speed // Ecological safety of the coastal and shelf zones and the integrated use of shelf resources, Sevastopol, MGI NASU. - 2004. - Vol. 11. - S. 262-267.
4. Brown G.S., Stanley H.R., Roy N.A. The wind speed measurements capability of spaceborne radar altimetry // ШЕЕ J. Oceanic Eng. - 1981. - OE-6. - P. 59-.63.4. Brown G.S., Stanley H.R., Roy N.A. The wind speed measurements capability of spaceborne radar altimetry // NEC J. Oceanic Eng. - 1981. - OE-6. - P. 59-.63.
5. Glazman R.E., Greysukh A. Satellite altimeter measurements of surface wind // J. Geophys. Res.- 1993.- Vol. 98, № C2.- P. 2475-2483 - прототип.5. Glazman R.E., Greysukh A. Satellite altimeter measurements of surface wind // J. Geophys. Res.- 1993.- Vol. 98, No. C2.- P. 2475-2483 - prototype.
6. Hayne G. Radar altimeter mean return waveforms from near-normalincidence ocean surface scattering // ШЕЕ Trans. Antennas and Propagation. - 1980. - Vol. 28, №5.-P. 687-692.6. Hayne G. Radar altimeter mean return waveforms from near-normalincidence ocean surface scattering // NEX Trans. Antennas and Propagation. - 1980. - Vol. 28, No. 5.-P. 687-692.
7. Филлипс O.M. Динамика верхнего слоя океана: Пер. с англ. - Л.: Гидро-метеойздат, 1980. - 319 с.7. Phillips O.M. Dynamics of the upper layer of the ocean: Trans. from English - L .: Gidro-meteoizdat, 1980 .-- 319 p.
8. Korotaev G.K., Saenko О.А., Koblinsky C.J. Satellite altimetry observations of the Black Sea level//! Geoph. Res.-200l.-106. №C1. - P. 917-933.8. Korotaev G.K., Saenko O.A., Koblinsky C.J. Satellite altimetry observations of the Black Sea level //! Geoph. Res.-200l.-106. No. C1. - P. 917-933.
9. Дорофеев В.Л., Коротаев Г.К. Ассимиляция данных агутниковой альтиметрии в вихреразрешающей модели циркуляции Черного моря // Морской гидрофизический журн.- 2004.- № 1.- С. 52-689. Dorofeev V.L., Korotaev G.K. Assimilation of agutnik altimetry data in the eddy-resolving model of the Black Sea circulation // Marine Hydrophysical Journal - 2004.- No. 1.- P. 52-68
10. Dobson Ε., Monaldo F., Goldhirsh J., Wilkerson J. Validation of Geosat altimeter-derived wind speeds and significant wave heights using buoy data // Johns Hopkins APL Tech. Dig. - 1987. - 8. - P. 222-23310. Dobson Ε., Monaldo F., Goldhirsh J., Wilkerson J. Validation of Geosat altimeter-derived wind speeds and significant wave heights using buoy data // Johns Hopkins APL Tech. Dig. - 1987. - 8. - P. 222-233
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014151922/93A RU2548120C1 (en) | 2014-12-18 | 2014-12-18 | Remote determination of surface wind velocity |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014151922/93A RU2548120C1 (en) | 2014-12-18 | 2014-12-18 | Remote determination of surface wind velocity |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2548120C1 true RU2548120C1 (en) | 2015-04-10 |
Family
ID=53296635
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014151922/93A RU2548120C1 (en) | 2014-12-18 | 2014-12-18 | Remote determination of surface wind velocity |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2548120C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2627016C1 (en) * | 2016-11-28 | 2017-08-02 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method for determining wind speed over water surface |
| RU2631267C2 (en) * | 2015-10-06 | 2017-09-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" | Method of remote seawater salinity measurement |
-
2014
- 2014-12-18 RU RU2014151922/93A patent/RU2548120C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2631267C2 (en) * | 2015-10-06 | 2017-09-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" | Method of remote seawater salinity measurement |
| RU2627016C1 (en) * | 2016-11-28 | 2017-08-02 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method for determining wind speed over water surface |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Polzin et al. | Finescale parameterizations of turbulent dissipation | |
| Wernecke et al. | Lead detection in Arctic sea ice from CryoSat-2: quality assessment, lead area fraction and width distribution | |
| Waterman et al. | Suppression of internal wave breaking in the Antarctic Circumpolar Current near topography | |
| Lund et al. | A new technique for the retrieval of near‐surface vertical current shear from marine X‐band radar images | |
| Coulter et al. | Two decades of progress in SODAR techniques: a review of 11 ISARS proceedings | |
| Beaird et al. | Dissipation of turbulent kinetic energy inferred from Seagliders: An application to the eastern Nordic Seas overflows | |
| Hwang et al. | Low-frequency mean square slopes and dominant wave spectral properties: Toward tropical cyclone remote sensing | |
| Shcherbina et al. | Observing finescale oceanic velocity structure with an autonomous Nortek acoustic Doppler current profiler | |
| Astudillo et al. | Surface winds off Peru-Chile: observing closer to the coast from radar altimetry | |
| Muyakshin et al. | The hydroacoustic method for the quantification of the gas flux from a submersed bubble plume | |
| Qi et al. | Phase-resolved wave field simulation calibration of sea surface reconstruction using noncoherent marine radar | |
| Zhai et al. | Shipborne wind measurement and motion-induced error correction of a coherent Doppler lidar over the Yellow Sea in 2014 | |
| Garmashov et al. | Comparing satellite and meteorological data on wind velocity over the Black Sea | |
| Hoppe et al. | High‐resolution measurements of vertical velocity with the European incoherent scatter VHF radar: 1. Motion field characteristics and measurement biases | |
| Ferron et al. | Dissipation rate estimates from microstructure and finescale internal wave observations along the A25 Greenland–Portugal OVIDE line | |
| RU2548120C1 (en) | Remote determination of surface wind velocity | |
| Jaiswal et al. | Estimation of turbulence parameters using ARIES ST Radar and GPS radiosonde measurements: First results from the central Himalayan region | |
| Titchenko et al. | Peculiarities of the Acoustic Pulse Formation Reflected by the Water Surface: a Numerical Experiments and the Results of Long-term Measurements Using the" Kalmar" Sonar | |
| Tsuda et al. | Estimation of a humidity profile using turbulence echo characteristics | |
| Garcia et al. | Accuracy of Florida Current volume transport measurements at 27 N using multiple observational techniques | |
| Haus et al. | Wind speed dependence of single-site wave-height retrievals from high-frequency radars | |
| JP3783058B2 (en) | Method and system for inverse estimation of wave direction spectrum from radar image | |
| Young et al. | Inferring marine atmospheric boundary layer properties from spectral characteristics of satellite-borne SAR imagery | |
| Troitskaya et al. | Adaptive retracking of Jason-1, 2 satellite altimetry data for the Volga River reservoirs | |
| Jahanmard et al. | Retrieval of directional power spectral density and wave parameters from airborne LiDAR point cloud |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191114 |