Федеральная целевая программа

< 14.616.21.0059 >
<Номер постера>
Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014—2020 годы»
Рациональное природопользование
Тема: <Разработка методов оценки и прогнозирования опасных метеорологических явлений в океане на основе инновационных микроволновых
технологий и новых физических моделей взаимодействия атмосферы и океана при штормовых условиях>
Руководитель проекта: <зав.отделом ИПФ РАН, Троицкая Ю.И.>
Соглашение <14.616.21.0059>
на период 2015 - 2016 гг.
Получатель субсидии: <Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной
физики Российской академии наук» >
Цели и задачи проекта
о целях и задачах выполнения проекта; Ключевая научная проблема, на решение которой направлен реализуемый проект, связана с развитием новых технологий дистанционного зондирования для мониторинга
поверхности океана при сильных ветрах , а также создание новой модели взаимодействия атмосферы и океана, применимой в широком диапазоне погодных условий (до ураганов). Полученные результаты необходимы для
понимания фундаментальных аспектов воздушного / морского взаимодействия, а также для повышения точности оперативных моделей прогнозирования, используемых для проводки судов, морской деятельности и прогнозирования
штормовых нагонов, как для Европы, так и России. Целью проекта является разработка методов и технологических решений для оценки и прогноза опасных метеорологических явлений в океане на основе новых микроволновых
технологий, а также применения новых физических представлений о процессах вблизи границы раздела атмосферы и океана.
• об актуальности и научной новизне выполняемой исследовательской работы.>Дистанционное зондирование Земли является одним из основных методов диагностики океана и атмосферы.
Большие преимущества при этом имеют методы микроволновой диагностики, они позволяют осуществлять круглосуточный мониторинг поверхности Земли практически при любых метеорологических условиях. Одна из важнейших
открытых проблем дистанционного зондирования Земли связана с тем, что имеющиеся алгоритмы восстановления геофизических параметров имеют значительные погрешности при оценке параметров атмосферы и океана в условиях
интенсивных штормов. Это связано с эффектом насыщения геофизической модельной функции при скоростях ветра, превосходящих 25 м/с. Результатом являются потери данных в области максимальных скоростей ветра. Особый
интерес вызывает инновационная технология измерения скорости приводного ветра, основанная на приеме рассеянного сигнала на перекрестной поляризации, сохраняющая высокую чувствительность при измерении больших
скоростей ветра. Современные модели прогноза штормового ветра, нагона и волнения на данный момент не могут считаться вполне удовлетворительными . Точность прогноза волнения при штормовых условиях не превышает 30%,
что обусловлено погрешностями параметризации взаимодействия атмосферы и океана и нелинейного взаимодействия волн. Требуется их оптимизация с учетом новых физических представлений о процессах, происходящих вблизи
границы раздела атмосферы и океана, полученны х на основе новых экспериментальных, теоретических и численных подходов.
• Все планируемые в ходе работы результаты будут новыми, в том числе будут созданы: уникальный программный комплекс для определения параметров пограничных слоев океана и атмосферы при штормовых и ураганных ветрах по данным дистанционного (в том
числе, космического) зондирования, включающий в себя инновационную методику для восстановления скорости приводного ветра по измерению деполяризации отраженного микроволнового излучения в широком диапазоне включая ураганные ветра; методику
получения значения турбулентного потока импульса в пограничном слое по данным о приводной скорости ветра в широком диапазоне условий, включая ураганы, а также новую методику получения значения турбулентного потока двуокиси углерода в атмосферу с
поверхности гидросферы по данным о приводной скорости ветра в широком диапазоне условий, включая ураганы, в рамках работы также будет разработана новой модели взаимодействия атмосферы и океана, применимой в широком диапазоне погодных условий
(вплоть до ураганов). Новые алгоритмы и программное обеспечение, создаваемые в рамках проекта, будут представлять собой предметы авторского права, подлежащие регистрации.
Ожидаемые результаты проекта
• Результаты теоретических исследований (расчетов) по разработке конструкции элементов экспериментального образца доплеровского скаттерометра Х-диапазона, работающего на прямой и перекрестной поляризации (антенной системы, СВЧ тракта, НЧ блока).
Экспериментальный образец (ЭО) доплеровского скаттерометра Х- диапазона, работающего на прямой и перекрестной поляризации для изучения рассеяния микроволнового излучения на поверхности воды.
• Методики:измерения уклонов коротковолновой части спектра поверхностных волн; расчета интенсивности газообмена в зависимости от скорости приводного ветра в широком диапазоне включая ураганные; расчета турбулентного потока импульса в зависимости
от скорости приводного ветра в широком диапазоне включая ураганные; методика для восстановления скорости приводного ветра по измерению деполяризации излучения в широком диапазоне, включая ураганные ветра.
• Модель развития нелинейных поверхностных волн, применимая для условий, типичных для ураганных ветров на основе обобщенного кинетического уравнения.
• Результаты по экспериментальным исследованиям коротковолновой части спектра поверхностных волн в широком диапазоне условий. Результаты по экспериментальным исследованиям характеристик воздушного потока над обрушающимися поверхностными
волнами. Результаты по экспериментальным исследованиям процессов газообмена на границе раздела воды и воздуха при ураганном ветре. Результаты по экспериментальным исследованиям процессов обмена импульсом и механизмов генерации брызг при
сильных (ураганных) ветрах. Результаты экспериментальных исследований с помощью экспериментального образца скаттерометра рассеяния микроволнового излучения на прямой и перекрестной поляризации при сильных ветрах.
• Прототип программного комплекса для оценки характеристик приводного слоя атмосферы (включая поля скорости приводного ветра, поля турбулентного потока импульса тепла и двуокиси углерода) по данным микроволнового зондирования поверхности
океана, применимой для штормовых и ураганных условий.
• Рекомендации по использованию результатов проведенных исследований в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
• Техническое задание на проведение ОКР по теме: «Разработка системы оценки и прогнозирования опасных метеорологических явлений в океане».
• Мероприятия по демонстрации и популяризации результатов и достижений в рамках проводимых исследований (рабочие встречи, семинары, доклады на зарубежных и российских конференциях, интернет-ресурсы).
• о сопоставлении ожидаемых результатов с аналогичными разработками мирового уровня.> Некоторые из находящихся на орбите спутников имеют на борту поляриметрические радары, предназначеные в том числе
и для того, чтобы проводить измерения радиолокационного сечения рассеяния на перекрестной поляризации (ASAR Envisat(C-диапазон), ALOS PALSAR (L-диапазон ), Radarsat 1,2 (C-диапазон ), TerraSar (X-диапазон). Таким образом,
развиваемый алгоритм, основанный на тенденции к быстрому нарастанию сечения рассеяния на перекрестной поляризации при скоростях ветра, превышающих 30 м/с, при измерении скаттерометром, работающим на
перекрестной поляризации, может быть быстро внедрен в практику. В рамках настоящего проекта будет создан экспериментальный образец скаттерометра, обладающий уникальными характеристиками (позволяющий передавать
и принимать сигнал с одной антенны, благодаря уникальному устройству ОМТ). Также будет создан уникальный прототип программного обеспечения для определения параметров пограничных слоев океана и атмосферы по
данным дистанционного (в том числе, космического) зондирования, не имеющий аналогов мирового уровня, расчеты и параметризации полученные в рамках проекта, могут быть использованы для улучшения глобальных
климатических моделей.
Перспективы практического использования
В ходе выполнения проекта будет создан комплекс программного обеспечения для определения параметров пограничных слоев океана и атмосферы по данным дистанционного (в том числе, космического) зондирования, на основе
новых микроволновых технологий и новых физических представлений о взаимодействии атмосферы и океана при штормовом и ураганном ветре. Наличие такого нового инструмента для оценки и мониторинга опасных погодных
явлений на море открывает возможности 1. для создания новых и информационных услуг, 2. для существенного повышения надежности прогнозов опасных явлений погоды в интересах повышения безопасности морской деятельности
и качества жизни населения прибрежной зоны, 3. для проведения фундаментальных исследований климатической системы Земли. 4. для образовательных целей в ВУЗах, готовящих специалистов в области метеорологи, океанологии,
радиофизики, географии. Использование новых алгоритмов для восстановления скорости ураганного ветра, а также новых моделей турбулентных потоков, учитывающих достижения последнего времени, новых моделей ветровой
накачки при моделировании волнения позволит повысить качество оценок параметров приводного слоя атмосферы и характеристик поверхностного волнения, что в конечном итоге будет способствовать повышению безопасности
морской деятельности и качества жизни населения прибрежной зоны. Комплекс может быть непосредственно использован для оценки параметров пограничного слоя атмосферы и поверхностного волнения по данным микроволновых
приборов на платформах, уже находящихся на орбите (Radarsat-2, Sentinel-1, ALOS PALSAR) и планируемых к запуску в ближайшее время (MetOp-SG). Таким образом, условия для обеспечения социально-экономических эффектов от
применения настоящего программного обеспечения существуют уже сейчас и будут расширяться в ближайшее время.
Результаты исследовательской работы, полученные в 2015 г.
о полученных результатах исследовательской работы в 2015 году
•Проведен обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей исследуемую научно-техническую проблему;
•Готовится отчет о патентных исследованиях (обьект-скаттерометр Х-диапазона, работающий на прямой и перекрестной поляризации);
•Предложена конструкция элементов экспериментального образца доплеровского скаттерометра Х-диапазона,
•работающего на прямой и перекрестной поляризации (антенной системы, СВЧ тракта, и.т.д.)
•Разработана теоретическая модель развития нелинейных поверхностных волн на основе обобщенного кинетического уравнения; (ИП)
Разработана методика измерения уклонов коротковолновой части спектра поверхностных волн;(ИП)
•Готовится отчет о проводимом научном исследовании
.
Рабочая частота
f0 = 9.4 ГГц
Полоса частот
10%
Ширина ДН (Н-пл)
~10
УКП
<-35дБ
Длина рупора
~ 600мм
Вход
Волновод квадратного сечения
Половина угла раствора
α =8.5
рупора
Рис 1.1. Блок-схема СВЧ тракта скаттерометра
(без крепежных винтов) в собранном виде
Рис 1.3. Пирамидальный рупор. Общий вид в изометрии. Характеристики рупора.
Рис 1.4. Расчетная частотная
зависимость коэффициента
отражения рупора
Рис 1.7. Иллюстрация влияния холодных
капель на теплую поверхность. Скорость
ветра 4 м/с (ИП)
Рис 1.5. Общий вид ОМТ
разделителя ортогональных
поляризаций в изометрии (без
крепежных винтов)
сверху – в собранном виде, снизу –
для сечения в плоскости симметрии
Рис 1.6. Иллюстрация геометрии
луча в рамках методики
измерения уклонов (ИП)
Были рассмотрены различные варианты волноводных трактов СВЧ части скаттерометра. В результате было выбрано техническое решение, в котором переключение поляризации (V↔H) принимаемого сигнала осуществляется с
помощью механического (ручного) кранового переключателя, а переключение поляризации (V↔H) излучаемого сигнала – путем механического поворота всего СВЧ тракта скаттерометра вокруг оси рупора. Измерения характеристик
СВЧ элементов скаттерометра проводились на панораме Р2-61 с волноводными направленными ответвителями сечения 2310. Расчет и оптимизация геометрии пирамид ального рупора проводилась в апертурном приближении с
использованием известных соотношений и графиков [Milligan, 2005]. Расчет характеристик рупора был проведен на основе работы [Milligan, 2005], а также помощью компьютерного 3D-моделирования СВЧ матрицы рассеяния и ДН. В
ходе конструирования элементов скаттерометра, был создан уникальный ОМТ (ortomode transduser), который используется для разделения поляризаций на уровне 43 децибела в полосе. Устройство изготовлено на основе
современных технологий на станке с ЧПУ. Уникальность данного устройства по сравнению с существующими мировыми аналогами состоит в том, что передача и прием сигнала происходит с одной антенны.
Партнеры проекта
•Иностранные партнеры: Кильский Университет (Великобритания, г. Киль) ,профессор Виктор Шрира, Универститет Экс-Марсель (Франция, г. Марсель) доктор Гимет Колье, Университет Гейдельберга (Германия, г. Гейдельберг)
профессор, координирующий директор лаборатории обработки изображений г. Гейдельберг, глава лаборатории ветро-волнового взаимодействия Бернд Яне.
•Внебюджетное финансирование: Университет Гейдельберга: 17299425 рублей (227.920 евро), Университет Экс- Марселя: 10321818 рублей (135.990 евро), Кильский Университет: 10626182 рублей (140.000 евро).Общая сумма
внебюджетного финансирования: 38247425 рублей (503910 евро).
• В рамках проекта Кильский Университет будет проводить разработку новой теоретической модели эволюции поверхностных волн в условиях сильного и ураганного ветра. Университет Экс-Марселя будет проводить
экспериментальные исследования характеристик воздушного потока над обрушающимися волнами Университет Гейдельберга будет проводить:разработку методики измерения уклонов коротковолновой части спектра
поверхностных волн: экспериментальные исследования коротковолновой части спектра поверхностных волн в широком диапазоне условий; экспериментальные исследования процессов газообмена на границе раздела воды и
воздуха при ураганном ветре; разработку методики расчета интенсивности газообмена в зависимости от скорости приводного ветра в широком диапазоне включая ураганные;
<14.616.21.0059>
<Номер постера>