Радиолокационное зондирование поверхностных загрязнений моря из космоса: модельные исследования и некоторые приложения

Актуальность работы.

Исследования океана из Космоса с помощью дистанционной аппаратуры, работающей в различных спектральных диапазонах, имеют неоценимую научную и практическую значимость. Спутниковая информация обладает высоким пространственным разрешением, покрывает значительные области Мирового Океана, и, в настоящее время, дает важную информацию о таких физических процессах, как уровенная поверхность и геострофические течения, высота волн, поле приводного ветра, границы мезо-масштабных течений, цвет океана и сопутствующие ему характеристики (хлорофилл, минеральные взвеси), поверхностные загрязнения и пр. Однако, информационные возможности спутниковых данных далеко не исчерпаны, и все еще остается значительное поле для дальнейшего развития в этой области знаний.

Так, одной из слабо изученных остается проблема дистанционной идентификации поверхностных загрязнений океана. Не смотря на то, что поверхностные загрязнения могут быть достаточно легко идентифицированы на дистанционных изображениях, задача определения типа загрязнения (искусственное или естественное) и его характеристик (толщина, поверхностная концентрация) остается в данное время фактически не исследованной. Особую важность имеет задача дистанционной идентификации загрязнения поверхности океана нефтепродуктами. Эта проблема особенно актуальна в связи с быстрым возрастанием объемов морской транспортировки нефти через северные моря (Баренцево, Норвежское, Печорское). Таким образом, существует необходимость в разработке физических моделей влияния нефтяных загрязнений на морскую поверхность и ветровое волнение и приложения этих моделей для разработки методов дистанционного контроля нефтяных загрязнений. Среди возможных методов зондирования океана из космоса приоритет отдается методам радиолокационного зондирования (радиолокаторами с синтезированной апертурой, РСА), которые являются всепогодными, не зависящими от времени суток и обладают высоким пространственным разрешением.

Биогенные пленки распространенны по всему Мировому Океану и, подавляя короткие ветровые волны, оказывают заметное влияние на обмен импульсом, теплом и газом (в частности С02) между океаном и атмосферой. Таким образом, важно знать географическую протяженность и изменчивость таких пленок для последующих оценок их результирующего воздействия на климатическую систему. [10] Мезо-масштабные океанические явления, такие как вихри и меандры на границах течений, часто видны на РСА изображениях вследствие скопления биогенных пленок в зонах конвергенции течений, что вызывает еще больший интерес к исследованию в данной области. [9].

При исследовании поверхностных загрязнений, возникает одна частная, но важная практическая подзадача, — исследование особенностей дистанционной идентификации поверхностных загрязнений в прибрежной зоне и полыньях, то есть в областях с пространственно ограниченным развитием ветрового волнения. Исследования в таких зонах очень актуальны, так как прибрежные зоны являются зонами наиболее частых искусственных нефтяных загрязнений, а нефтяные загрязнения в северных морях могут сопровождаться захватом нефти в полыньях. Поскольку шероховатость поверхности, по которой и определяются характеристики загрязнения, неизбежно связана с полем ветра, то восстановление последнего по РСА данным приобретает особое значение. К настоящему времени существуют хорошо отработанные методики восстановления скорости ветра по данным РСА для открытого океана, однако они не пригодны для восстановления ветра в условиях ограниченных разгонов, что и вызывает необходимость разработки специальной методики.

Цель исследования.

Основной целью является проведение комплекса исследований, направленных на улучшение методов идентификации и определения количественных характеристик поверхностных загрязнений на основе радиолокационных изображений открытого моря и зон с ограниченным разгоном ветровых волн. Задачи.

Для достижения поставленной цели, были решены следующие задачи:

1. Разработка модели влияния биогенных и нефтяных пленок на спектр коротких ветровых волн.

2. Исследование особенностей рассеяния радиоволн на морской поверхности, покрытой биогенными и нефтяными пленками. Построение радиолокационной модели.

3. Тестирование разработанных моделей влияния поверхностных пленок па статистические характеристики морской поверхности и обратное рассеяние радиоволн на данных лабораторных и натурных экспериментов.

4. Исследование возможности определения количественных характеристик нефтяных загрязнений (толщина пленки, объем разлитой нефти и т. д.) по РСА изображениям.

5. Исследование ветро-волнового режима в условиях ограниченного разгона. Разработка методики и оценка точности восстановления поля ветра по PJ1 данным в условиях ограниченного разгона волн (прибрежная зона, полыньи).

6. Применение разработанных моделей для выявления и анализа естественных и искусственных загрязнений на РСА изображениях, получаемых с ИСЗ ENVISAT.

Научная новизна.

Предложена новая модель формирования контрастов спектра ветровых волн, вызванных поверхностными пленками. Модель учитывает механизм нелинейной передачи энергии от длинных волн (не «чувствующих» пленки) к коротким, подверженным гасящему действию пленок. Такого типа механизм никогда не рассматривался в теоретических работах по этой проблеме. Этот механизм обеспечивает конечный уровень энергии волн в сликах, что подтверждается данными экспериментов. Спектральная модель применена для создания модели проявления пленок в PJI сигнале. Показано, что в рамках композитной PJI модели зеркальные отражения от нелинейных особенностей поверхности (обрушений волн) могут играть важную роль в формировании PJI контрастов сликов. Предложенная феноменологическая PJI модель согласуется с данными измерений на количественном уровне.

Впервые исследована зависимость PJI контраста нефтяных загрязнений поверхности от толщины пленки и скорости ветра. Полученные результаты могут быть использованы при создании оперативных методик определения количественных характеристик нефтяных загрязнений по PJI данным. Существующие в настоящее время методы идентификации поверхностных загрязнений на PJI изображениях носят в основном качественный характер, то есть устанавливают факт загрязнения без определения его природы и количественных характеристик. Предлагаемый подход основывается на физическом моделировании воздействия поверхностных пленок на спектр ветровых волн и PJI сигнал. Такой подход позволяет исследовать особенности PJI проявления различного типа загрязнений и сформулировать требования к оптимальной «конфигурации» РЛ системы (длина и поляризация радиоволн и их комбинация, углы падения, ветровые условия, т.д.), позволяющие определить количественные характеристики загрязнений с максимальной достоверностью.

Проведено обобщение известного алгоритма восстановления скорости ветра по РЛ данным (обобщение эмпирической РЛ функции CMOD-4/5) на условия ограниченного разгона ветровых волн. Это обобщение расширяет область применения широко используемого алгоритма восстановления ветра, что в контексте данной работы необходимо для определения характеристик нефтяных загрязнений в прибрежной зоне и полыньях.

Теоретическая и практическая значимость.

Исследования, представленные в данной работе, проводились в соответствии с научными планами РГГМУ и «Нансен-Центра» в рамках международных проектов: «Marine oil spill control: SAR monitoring and model prediction» (OSCSAR) — ESA-IAF Project- «GMES Networking with Russia and Ukraine» — «Monitoring the marine environment in Russia, Ukraine and Kazakhstan using Synthetic Aperture Radar» (MONRUK) — EU FP-6 Project, Priority 4, Aeronautic and Space- «DEvelopment of Marine Oil Spills/slicks Satellite monitoring System elements targeting the Black/Caspian/Kara/Barents Seas» (DEMOSSS) — INTAS Project, Ref. N: 06−1 000 025−9264. Проведенные исследования эффекта влияния нефтяных и биогенных пленок на короткие ветровые волны имеют «самостоятельную» теоретическую значимость, т.к. способствуют дальнейшему развитию теории ветровых волн на морской поверхности. Кроме этого, развитая модель спектра волн в присутствии поверхностных пленок и ее приложение к задаче рассеяния радиоволн создает физический базис для развития методов определения количественных характеристик поверхностных загрязнений по данным РСА изображений. Предложенный подход позволяет определить и сформулировать требования к оптимальной конфигурации РЛ системы (длина и поляризация радиоволн и их комбинация, углы падения, ветровые условия и т. д.), позволяющие определить количественные характеристики загрязнений с максимальной достоверностью.

Результаты сопоставления модельных оценок РЛ контрастов с данными наблюдений показывают, что предлагаемая модель может быть использована на практике для оценки характеристик нефтяных загрязнений по РСА изображениям.

Предложенная методика восстановления скорости ветра по РСА при ограниченных разгонах волн расширяет область применения существующих стандартных моделей/алгоритмов восстановления скорости ветра (предназначенных изначально для условий открытого океана) на условия прибрежной зоны и любых пространственно ограниченных водоемов.

Предложенная модель трансформации ВПС позволяет уточнять расчеты скорости ветра в прибрежной зоне, что может быть необходимо при расчетах спектра волн с целыо диагностики загрязнений, при строительстве прибрежных конструкций, прогнозировании ветровой энергии (использование ветровых генераторов энергии), различных видах отдыха и спортивной деятельности, навигации, расчетах в случае загрязнений воздуха.

Результаты анализа РСА изображений Баренцева моря дают представление о существующем уровне нефтяных загрязнений моря, их пространственном распределении и источниках загрязнений.

Положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанная модель формирования контрастов спектра ветровых волн, вызванных биогенными и нефтяными поверхностными пленками. Модель учитывает механизм нелинейной передачи энергии от длинных волн (не «чувствующих» пленки) к коротким, подверженным гасящему действию пленок. Этот механизм обеспечивает конечный уровень энергии волн в сликах, что согласуется с измерениями.

2. Феноменологическая модель формирования РЛ контрастов биогенных и нефтяных сликов. Показано, что в рамках композитной PJI модели зеркальные отражения от нелинейных особенностей поверхности (обрушений волн) играют важную роль в формировании PJI контрастов сликов. Поверхностные пленки гасят не только ветровую рябь, но и микро-обрушения, что объясняет значительные наблюдаемые PJI контрасты сликов.

3. Модельные оценки PJI контрастов нефтяных пленок различной толщины как функция скорости ветра и. «геометрии» РЛ наблюдений (длина волны, поляризация, угол падения). Эти расчеты могут быть использованы для определения оптимальных параметров прототипа PJI системы для контроля нефтяных загрязнений, и оценки условий, когда такой контроль возможен.

4. Разработанная методика восстановления скорости ветра при ограниченном разгоне ветровых волн. Эта методика обобщает широко используемый CMOD-алгоритм восстановления ветра по PJI данным на условия ограниченного разгона ветра (прибрежная зона, полыньи и т. п.). Показано, что зависимость PJI сигнала от разгона может быть ошибочно интерпретирована стандартными моделями как изменение скорости ветра. Результатом данной ошибки может стать недооценка скорости ветра до 100%.

5. Разработанная модель трансформации ВПС в зонах ограниченного разгона, которая может быть использована для уточнения расчета скорости ветра в прибрежной зоне и полыньях.

6. Результаты анализа РСА изображений Баренцева моря, дающие количественные характеристики уровня текущего загрязнения моря, пространственного распределения загрязнений. Показано, что на акватории Баренцева моря имеют место регулярные утечки нефти, связанные с нефтедобывающей промышленностью. Количественные характеристики загрязнений оценены по разработанной модели.

Личный вклад автора.

Результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Автор непосредственно занимался обобщением предложенной ранее модели спектра волн и радиофизической модели морской поверхности на случай влияния биогенных и нефтяных пленок. Автор создал цифровую базу данных всех доступных экспериментов по исследованию влияния поверхностных пленок на ветровые волны и PJI сигнал, провел их систематизацию и анализ, проводил все модельные расчеты и сопоставление с данными измерений. Автор провел модельные расчеты по проявлениям нефтяных пленок при различной «геометрии» РЛ наблюдений (длина радиоволны, поляризация, углы падения) и ветровых условий, и определил оптимальные параметры PJI системы, позволяющей с максимальной надежностью определять количественные характеристики загрязнений. Автор лично разработал модель трансформации атмосферного погранслоя слоя в прибрежной и прикромочной областях, участвовал в разработке алгоритма восстановления ветра при условиях ограниченного разгона волн, и внедрении этого алгоритма в эмпирическую радиолокационную функцию типа CMOD. Автору лично принадлежат все результаты по обработке и анализу РСА изображений, включая результаты по идентификации нефтяных загрязнений в Баренцевом море и определении их количественных характеристик.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на Международном Симпозиуме Стран СНГ «Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, Россия, 2006 г.), Исследовательском Семинаре: Норвежско-Российское сотрудничество на Свальбарде в Норвежском Полярном Институте (Тромсо, Норвегия, 2006 г.), Конференции «Полярная Динамика» (Берген, Норвегия, 2007 г.), ежегодных аспирантских сессиях Международного Центра по Окружающей Среде и Дистанционному Зондированию (Санкт-Петербург, Россия, 2005, 2006, 2007 гг.), Международной Летней Школе «Климат Высоких Северных Широт» (Санкт-Петербург, Россия, 2007), докладах в Центре по Окружающей Среде и Дистанционному Зондированию (Берген, Норвегия, 2005, 2006 гг.), докладе в Гамбургском Университете (Гамбург, Германия, 2006 г.).

В полном объеме диссертация обсуждалась на заседании кафедры Промысловой Океанологии и Охраны Прибрежных Вод РГГМУ (ноябрь 2007 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них одна в рецензируемом издании и один препринт.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, содержащего наименований. Общий объем работы составляет страниц и содержит кроме основного текста рисунков и таблиц.

4.3. Выводы.

Выполнен анализ 560 РСА изображений (полученных со спутника ENVISAT) Баренцева моря (период май — сентябрь 2007) нацеленный на идентификацию нефтяных загрязнений и определения их количественных характеристик. Доступное количество снимков по Баренцеву морю невелико (219 из доступных 560 по региону — Баренцево, Норвежское, Карское моря), из них нефтяные слики присутствуют примерно на 10% снимков. За рассмотренные пять месяцев (Май — Сентябрь) 2007 года выявлено 22 случая появления нефтяных сликов среди 219 снимков Баренцева моря. На остальных 100 снимках со сликами представлены биогенные пленки. В основном нефтяные пятна сосредоточены вдоль побережья, что объясняется наличием там нефтедобывающих платформ, перевалочных баз и транспортных путей.

Площадь исследуемых сликов изменяется от 0,05 до 9,55 км² со средним * значением 2,5 км². Наибольшие по площади утечки наблюдаются возле перегрузочного терминала у входа в Кольский залив и платформы Варандей.

Нефтяные загрязнения Баренцева моря образуются в связи с добычей нефти на шельфе и ее транспортировкой морским транспортом. Выявление этих загрязнений осложняется тем, что вероятность попадания загрязненного участка на РСА снимок невелика. Анализ показывает, что имеют место регулярные утечки нефти в Баренцевом море в процессе работы нефтедобывающей отрасли. Эти утечки имеют достаточно большую площадь, что, несомненно, требует повышенного внимания со стороны ученых и разработчиков проектов, связанных с нефтедобывающей отраслью.

Разработанная модель использована для моделирования наблюдаемых PJ1 контрастов нефтяных разливов и диагностической оценки их толщины. Расчет по модели показал, что в среднем толщина пленки в нефтяных разливах имеет величину 0,35 мм. При средней площади слика 2,5 км1 и толщине пленки 0,35 мм, средний объем разлива в Баренцевом море за исследуемый период составил 875 мъ, что эквивалентно примерно 790 тонн. Для примера, авария.

150 танкера «Престиж» привела к разливу 77 тыс. тонн, то есть средняя утечка нефти в Баренцевом море составляет примерно 1 сотую такой катастрофы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработана модель влияния биогенных и нефтяных поверхностных пленок на спектр коротких ветровых волн. Эта модель основана на модели спектра волн, созданного изначально не для моделирования пленок, а для иных приложений, связанных с проблемами радиолокационного зондирования морской поверхности (Kudryavtsev and Johannessen, 2004; Kudryavtsev et al. 2005). Применение этого спектра к проблеме сликов связано с модификацией коэффициента гашения волн в соответствии с теориями Левича (1962) и Jenkins and Jakobs (1997). Используемый здесь спектр учитывает механизм нелинейной передачи энергии от длинных волн к коротким, что имеет принципиальное значение для моделирования спектральных контрастов сликов. В этом случае нелинейная «накачка» энергии от длинных волн (не «чувствующих» пленки) в область коротких волн (подверженных гасящему воздействию пленок) обеспечивает конечный уровень энергии волн в сликах, наблюдаемый экспериментально.

Предложенная модель формирования контрастов спектра волн в сликах показала, в целом, качественное согласие с экспериментальными данными как по величинам контрастов спектра волн, так и их зависимости от волнового числа и ветра.

Простое отождествление спектральных контрастов с РЛ контрастами (что было бы справедливо в рамках брэгговской теории рассеяния) не является очевидным. Даже в рамках классической композитной модели зеркальные отражения, являясь относительно малыми, но не подверженными воздействию пленок, могут играть важную роль в формировании РЛ контрастов сликов, когда спектр брэгговской ряби сильно подавлен поверхностными пленками.

Обрушения ветровых волн так же влияют на УЭПР морской поверхности, и этот механизм учтен в рассматриваемой здесь РЛ модели. При умеренных углах падения вклад обрушений волн в УЭПР существенно меньше брэгговского рассеяния. Однако, при подавлении брэгговских волн, роль отражений радиоволн от обрушивающихся волн (если они не подвержены воздействию пленок) становится доминирующей, и этот фактор должен приводить к меньшим PJI контрастам по сравнению с теми, которые следуют из брэгговской теории.

Однако сопоставление модельных расчетов с данными PJI измерений показало, что модельные PJI контрасты сликов существенно меньше наблюдаемых. Одним из возможных объяснений причин этого явного расхождения является то, что обрушения волн (по крайней мере, обрушения коротких ветровых волн) также подавляются поверхностными пленками. Это явление было подтверждено экспериментально (Малиновский, 2007, персональное сообщение).

Мы учли этот эффект в «феноменологической» модели формирования РЛ контрастов слика, полагая, что вклад обрушений волн в РЛ отражения существует на чистой поверхности, но исчезает в зоне слика. Эта модификация позволила заметно улучшить соответствие модели РЛ контрастов слика данным измерений. Однако вопрос о том, насколько это соответствует реальной физике формирования особенностей РЛ сигнала в зоне сликаостается открытым.

Проведено исследование зависимостей РЛ контрастов морской поверхности, покрытой нефтяными и биогенными пленками, от скорости ветра, условий РЛ наблюдения, а также толщины пленки. Установлены оптимальные условия РЛ наблюдений нефтяных и биогенных пленок с целью их различения.

Исследовано поля ветра, волн, а также РЛ рассеяния в областях ограниченного разгона ветра. Показало, что величина разгона оказывает значительное влияние на эти характеристики. Предложена методика восстановления скорости ветра по РЛ данным в зонах ограниченного разгона. Разработанный алгоритм объединен со стандартным алгоритмом восстановления ветра по РЛ данным (CMOD алгоритм), который изначально был создан для условий открытого моря. Показано, что не учет эффекта разгона при восстановлении скорости ветра может приводить к значительным ошибкам восстановления, достигающим 100%.

Достоверная оценка скорости ветра по PJI данным необходима для дальнейших оценок количественных характеристик поверхностных загрязнений (тип загрязнения, толщина пленки, поверхностная концентрация, объем поверхностного вещества), идентифицируемых на РСА изображениях в виде темных контрастных зон.

Разработана модель трансформации ВПС. Учет трансформации в зонах ограниченных разгонов может быть использован как уточнение методов восстановления поля ветра, что будет сказываться на результатах расчетов PJI рассеяния.

Выполнен анализ 650 РСА изображений (полученных со спутника ENVISAT) Баренцева моря (период май — сентябрь 2007) нацеленный на идентификацию нефтяных загрязнений. За анализируемый период выявлено 22 случая искусственных нефтяных загрязнений. Площадь исследуемых сликов изменялась от 0,05 до 9,55 км² со средним значением 2,5 км². Установлено, что наибольшие по площади нефтяные слики наблюдаются возле перегрузочного терминала у входа в Кольский залив и платформы Варандей. Разработанная модель использована для моделирования наблюдаемых PJI контрастов нефтяных разливов. Модельный расчет показал, что в среднем толщина пленки в нефтяных разливах имеет величину 0,35 мм. При средней площади слика 2,5 км² и толщине пленки 0,35 мм, средний объем разлива в Баренцевом море за исследуемый период составил 875 м³, что эквивалентно примерно 790 тонн. Для примера, авария танкера «Престиж» привела к разливу 77 тыс. тонн, то есть средняя утечка нефти в Баренцевом море составляет примерно 1 сотую такой катастрофы.