SAR (Synthetic Aperture Radar ou Radar de Abertura Sintética) é o único sensor transportado por satélites capaz de medir o espectro direcional de ondas. Sua elevada cobertura espacial e temporal permite caracterizar o estado de mar, especialmente a região de baixa frequência do espectro de energia, que vem sendo assimilada em modelos numéricos de previsão de ondas em diversos centros operacionais espalhados pelo globo. Contudo, a extração do espectro de ondas de uma imagem SAR é um procedimento complexo. Alguns modos de operação não permitem o emprego de imagens sequenciais para resolver a ambiguidade direcional de propagação das ondas, o que requer informações adicionais, geralmente obtidas de um modelo de ondas. A dependência destas informações adicionais é investigada aplicando-se a inversão clássica de Hasselmann a alguns estados de mar teóricos. Esta abordagem é baseada na transformação analítica do espectro direcional de ondas sobre o espectro de imagem SAR correspondente. A solução deste problema inverso é determinada por um algoritmo numérico que minimiza um funcional não linear. Apesar de amplamente utilizado por diversos centros operacionais de previsão, este método não foi extensivamente testado em cenários experimentais bem definidos. Os resultados mostram que a dependência investigada é bastante significativa, sobretudo no que diz respeito à direção de propagação das ondas, levantando questionamentos sobre a acurácia da técnica.

Synthetic Aperture Radar (SAR) is the only sensor to date on-board satellites able to measure the directional wind wave spectrum. Its high spatial and temporal coverage allows the characterization of the sea state, especially at the low frequency region of the energy spectrum, which has been assimilated into numerical models at several operational centres world wide since the late 1990's. However, the extraction of the wave spectrum from a SAR image is a complex task. Not all imaging modes allow the use of sequential images to resolve the wave directional ambiguity, requiring some sort of additional, first guess information, in general from a wave model. The dependency of the wave retrieval on this first guess is investigated applying the classical Hasselmann inversion to some simple, theoretical, sea states. This approach is based on the analytical transformation relating the wind wave variance spectrum to its correspondent SAR image spectrum. The solution of this inverse problem is determined by a numerical algorithm, which minimizes a non-linear function. Although widely employed at operational forecasting centres, the method has not been extensively tested in experimental, well defined, situations. The results show that the first guess wave direction is fundamental to the reliability of the results obtained, raising questions about the accuracy of the technique.

Apesar de ser o único sensor transportado em satélites capaz de medir o espectro direcional de ondas, o SAR apresenta algumas limitações, inerentes ao processo de abertura sintética, que causam degradação na sua resolução azimutal e portanto o tornam incapaz de medir ondas com comprimentos inferiores a um valor que é dependente do estado de mar. Contudo, sua capacidade única de caracterizar espectralmente as ondas com cobertura espacial global vem despertando o interesse da comunidade científica nos últimos vinte anos. Neste trabalho, os mecanismos de imageamento das ondas são discutidos e exemplificados, sendo que uma imagem ERS SAR PRI é empregada para a obtenção do espectro, que é comparado com a medição de uma boia direcional fundeada nas proximidades. Os resultados são promissores, indicando o potencial da técnica.

Despite of being the only sensor onboard satellites able to measure the wave directional spectrum, SAR has certain shortcomings, due to its aperture synthesis technique, that causes degradation in azimuth direction that introduces a sea state dependent cut-off beyond which SAR cannot sense the ocean surface waves. However, its unique capability to extract the 2D wave spectrum with global coverage, has motivated the interest of the scientific community. In this paper, the wave imaging mechanisms are discussed and the wave spectrum extracted from an ERS SAR PRI image is compared to a directional buoy moored nearby. The results are promising, showing the potential of the technique.

O modelo de ondas SWAN é amplamente empregado em simulações na região costeira e o presente trabalho investiga sua aplicação dentro de um porto. A última versão disponibilizada para a comunidade - SWAN 40.51 - inclui uma aproximação para computar a difração, embora, até o momento, poucos trabalhos abordando este tema foram publicados. O desempenho do modelo é estudado em um porto onde os fenômenos de reflexão e difração são importantes. Para avaliar suas estimativas, um modelo do tipo Boussinesq também é empregado, juntamente com medições realizadas em um modelo em escala reduzida da área atrás do quebramar. Para ondas irregulares, com cristas curtas e espalhamento direcional mais amplo, a importância da difração é relativamente menor. Contudo, o modelo SWAN não alcança convergência quando programado para estimar difração e reflexão simultaneamente. Conclui-se que, para situações normalmente encontradas em portos, com ondas irregulares próximas a obstáculos refletivos, o modelo deve ser empregado sem a opção de difração.

The SWAN wave model is widely used in coastal waters and the main focus of this work is on its application in a harbor. Its last released version - SWAN 40.51 - includes an approximation to compute diffraction, however, so far there are few published works that discuss this matter. The performance of the model is therefore investigated in a harbor where reflection and diffraction play a relevant role. To assess its estimates, a phase-resolving Boussinesq wave model is employed as well, together with measurements carried out at a small-scale model of the area behind the breakwater. For irregular, short-crested waves with broad directional spreading, the importance of diffraction is relatively small. On the other hand, reflection of the incident waves is significant, increasing the energy inside the harbor. Nevertheless, the SWAN model does not achieve convergence when it is set to compute diffraction and reflection simultaneously. It is concluded that, for situations typically encountered in harbors, with irregular waves near reflective obstacles, the model should be set without the diffraction option.

O modelo de geração e propagação de ondas SWAN é amplamente utilizado pela comunidade científica para obtenção de estimativas do espectro de ondas em áreas costeiras, lagos e estuários. O cálculo da difração não era representado no modelo tornando as simulações em regiões próximas a obstáculos ou portos menos precisas. Recentemente, uma aproximação para o cálculo da difração foi implementada, porém poucos trabalhos publicados até o momento abordam esta questão. Seu desempenho é então investigado em um terminal portuário, uma região onde difração e reflexão são importantes. Para validar suas estimativas, um modelo baseado nas equações de Boussinesq é empregado juntamente com medições realizadas em um modelo em escala reduzida do porto. Para ondas irregulares, com espalhamento direcional mais amplo, a importância da difração é comparativamente menor. A reflexão das ondas incidentes, por sua vez, é significativa aumentando a energia dentro do porto. Contudo, os cálculos do modelo não convergem quando SWAN é configurado para computar difração e reflexão simultaneamente. Conclui-se que, para situações tipicamente encontradas em portos, com ondas irregulares próximas a obstáculos refletivos, a presente versão do SWAN deve ser configurada sem a opção de cálculo da difração.

The SWAN wave model is widely used in coastal waters, and the main focus of this work is on its application in a harbour. A recently released version of SWAN now includes an approximation to compute diffraction, however there are few published works that discuss this matter. The performance of the model is therefore investigated in a harbour where reflection and diffraction play a relevant role. To assess its estimates, a phase-resolving Boussinesq wave model is employed as well, together with measurements carried on at a small-scale model of the area behind the breakwater. For irregular, short-crested waves with broad directional spreading, the importance of diffraction is relatively small. On the other hand, reflection of the incident waves is significant, increasing the energy inside the harbour. Nevertheless, when the SWAN model is set to compute diffraction and reflection simultaneously, it does not achieve convergence. It is concluded that for situations typically encountered in harbours, with irregular waves near reflective obstacles, the model should be used without diffraction.

Este artigo discute como as transformações sofridas pelas ondas aquáticas ao se aproximarem de águas rasas podem auxiliar o entendimento dos principais fenômenos estudados na óptica. A partir de alguns conceitos comuns a todos os fenômenos ondulatórios, é possível conhecer o comportamento das ondas na superfície de corpos d'água conforme elas se encaminham para menores profundidades, como as ondas que se aproximam de uma praia. Tornou-se possível, dessa forma, traçar um paralelo entre as ondas luminosas e as ondas aquáticas. A modelagem computacional mostrou-se uma importante ferramenta para a construção de casos idealizados, facilitando a visualização dos resultados.

In this paper we discuss some of the transformations undergone by the water waves as they approach shallow water and how their behavior can be applied to improve the understanding of optical waves. Moreover, in order to compare the similarities between water waves and light waves, a ocean wave propagation model was employed as a research tool for some idealized cases, helping the visualization of this equivalence.

A única maneira, até o presente momento, de se medir espectros direcionais de onda com cobertura global e de forma contínua é através da utilização do Radar de Abertura Sintética (SAR da sigla em inglês) transportados em satélites. Milhões de imagetes SAR adquiridas com o sensor chaveado em seu modo onda (SAR Wave Mode - SWM) foram e ainda estão sendo obtidas desde o lançamento no início dos anos 90 do Primeiro Satélite Europeu de Sensoriamento (ERS-1) e de seus sucessores ERS-2 e ENVISAT, o que vem criando enormes possibilidades especialmente em termos de assimilação de dados em modelos de previsão de ondas. O objetivo principal da assimilação de dados é melhorar o prognóstico inserindo as medições disponíveis no processamento do modelo de maneira que as diferenças entre as medições e as estimativas sejam reduzidas. Contudo existem limitações na recuperação dos espectros obtidos de imagens SAR devido ao alto grau de não-linearidade no mecanismo de mapeamento. No presente trabalho, um ano de medições utilizando uma bóia fundeada em águas profundas é empregado com o objetivo de investigar a adequação do esquema do Instituto Max-Planck (MPI) em recuperar a altura significativa de onda extraída das imagens SAR. O desempenho do esquema MPI, quando consideradas somente as componentes de onda com períodos inferiores a 12 segundos, é inferior ao modelo de ondas WAM utilizado como estimativa inicial para o próprio esquema, ou seja, deteriorando a estimativa inicial. Porém para períodos maiores que 12 segundos, correspondendo à parte do espectro diretamente medida pelo SAR, o desempenho do esquema MPI é tão satisfatório quanto o do modelo WAM.

Synthetic Aperture Radar (SAR) onboard satellites is the only source of directional wave spectra with continuous and global coverage. Millions of SAR Wave Mode (SWM) imagettes have been acquired since the launch in the early 1990's of the first European Remote Sensing Satellite ERS-1 and its successors ERS-2 and ENVISAT, which has opened up many possibilities specially for wave data assimilation purposes. The main aim of data assimilation is to improve the forecasting introducing available observations into the modeling procedures in order to minimize the differences between model estimates and measurements. However there are limitations in the retrieval of the directional spectrum from SAR images due to nonlinearities in the mapping mechanism. The Max-Planck Institut (MPI) scheme, the first proposed and most widely used algorithm to retrieve directional wave spectra from SAR images, is employed to compare significant wave heights retrieved from ERS-1 SAR against buoy measurements and against the WAM wave model. It is shown that for periods shorter than 12 seconds the WAM model performs better than the MPI, despite the fact that the model is used as first guess to the MPI method, that is the retrieval is deteriorating the first guess. For periods longer than 12 seconds, the part of the spectrum that is directly measured by SAR, the performance of the MPI scheme is at least as good as the WAM model.