遥感资料反演海面风场的新方法研究

摘 要 ： 文对应 用 Ｓ Ｒ Ｓ ｎ ｅｉ Ａ ｅ ｕｅ Ｒ ｄ ｒ 图像 反 演海 面风 场 方法进 行 了阐述 ， 本 Ａ （ｙｔ ｔ ｐｒ ｒ ａａ） ｈ ｃ ｔ 并对 三种反 演模 式 进行 仿真 总结 。 首先介 绍 Ｓ Ｒ 图像 风 场反 演的 的物理 机 制 ， 着介 绍风 场反 演 的地 球 物理 模 式 ￣ （ ｅｐ ｙｉ ｌＭｏ ｅ Ｆ ｎ ｔ ｎ Ｇ ）并 对 Ｃ Ｄ 、 Ｍ Ｄ Ａ 接 Ｇ ｏｈｓ ａ ｃ ｄ ｌ ｕ ｃ ｏ ， ＭＦ ， ｉ ＭＯ ４ Ｃ Ｏ — ＩＲ Ｆ ２和 Ｃ Ｄ 三 种模 式进 行 仿真 ， 到 雷达后 向散射 系数和 风速 、 向 、 射 角 、 化 方 式的 关 系。特 别 对 两个较 新 的极 化 比模 式 ＭＯ ５ 得 风 入 极 进 行 了介 绍和 分析 。此 外对 当前应 用 美 国 Ｃ Ｌ Ｐ Ｏ激 光 雷达 卫 星资料 验证 海 面风 场的 方 法进 行 了阐述和 探 索 。 Ａ ＩＳ
其 中 Ｋ 为共振 波 数 ， 为 电磁 波数 ， 为 ０ 入射角 。 海面粗 糙度 与 海 面厘米 尺 度 表面 波紧 密 相关 ， 面粗糙 度与局 部风 大小有 关 。当风 而海 速较小 时 ，风区 内海洋表 面首 先生成 短波 ， 但 是数 量较 少 ， 随着风 速 的增 大 ， 一些 短 波逐 渐 发展 为尺度 较大 的波 ， 与此 同 时 ， 成更 多 的 生 短 波 ，其数 量远 多 于 已发展 成 尺度 较 大的 短 波， 从而后 向散射 系数增大 。 因此 ， 向散射 系 后 数 的 变 化 间 接 反 映 着 风 速 的 变 化 。 对 于 Ｃ ＬＰＯ激 光雷达 来说 ，一 定范 同内风 速 越 Ａ ＩＳ 大， 海面越粗糙 ， 雷达 能接受 到 的信 号 就越 弱 ， 反 之亦成立 。 ３地球 物理模式 函数 针 对 Ｅ Ｓ／携 带 的 ｃ波 段／． Ｈ Ｒ１ ２ ５ Ｇ Ｚ的散 ３ 射 计 ，人 们 发 展 了 Ｃ Ｄ ，ＭＯ ＩＲ ＭＯ ４Ｃ Ｄ—Ｆ ２及
１ ８ ．Ｏ ～ｌ ８ －１ ３ ９５ Ｅ Ｏ ｆ２ １： ４ １．
［ Ｅ Ｆ Ｕ Ａ Ｌ Ｙ Ｔ ，Ｔ Ｏ Ｓ Ｎ ， ４ Ｌ Ｏ Ｈ Ｉ ］ Ｈ ＭＰ Ｏ Ｄ Ｒ
ＶＡＮＤＥＭ ＡＲＫＤ ．ｅ ａ．Ａ ｎ ｗ ｂ ｓｃ ｔ Ｉ ｅ ａ ｉ ｍｏ ｅ ｄｌ
ｆ ｒ ｌ ｃ ｒ ｍａ ｎ ｔ ｓ ａ ｔ ｒｎ ｆｏ ｏ ｅ ｅ ｔ ｏ ｇ ｅ ｉ ｃ ｃ ｔｅ ｇ ｒ ｍ ｐ ｒｅ ｔ ｉ ｅｆ ｃｌ ｙ
Ｋｒ＝ ２ ｉ Ｋａｓ ｎ （） １
ｃ Ｄ 三个 实 用经验 模 型。针对 Ｓａａ Ａ １ ＭＯ ５ ｅｓｔ 一 — 携带的Ｋ ｕ波 段／３ Ｇ ｚ的 散 射 计 Ｓ Ｓ １． Ｈ ９ ＡＳ （ｅ ｓ — ａ ｌ ｔ Ｓ ａ ｃｏ ｅ ｒ ，人 们 发 展 Ｓ ａａ Ａ Ｓｔ ｌｅ ｅｔ ｒ ｔ ） ｔ ｅｉ ｔ ｍ ｅ 了 Ｓ Ｓ 和 Ｓ Ｓ 两 个 实用 经 验 模 型 。起 初 ＡＳ ＡＳ Ｃ Ｄ 系列 模 型 和 Ｓ Ｓ ＭＯ Ａ Ｓ系列 模 型仅 用 于 散 射计 ， 后来 人们发 现对于 Ｓ Ｒ也适 用 。 文仅 Ａ 本 讨 论运 用较 多 的 Ｃ Ｄ系 列模 型 。Ｃ Ｄ 系 ＭＯ ＭＯ 列模 式 函数一般 形式为 ： ＝ｄＯｕ ｌ ６ ） ｓ ＋ （ ｏｓ ａ １（ ） （ ｌ （ ｃ ａ ｃ ） （ ） ２ ） ＋ ｏ ０２ 其 中 （ 为雷达 测量 的后 向散 射系 数 ； 为 ｒ ０ ｕ 海 面 １ｈ高处 的风速 ； 为雷 达观测 方 向与风 ０ｉ ｏ ｒ 向的 夹角 ，ｂ ，是 电子 波束 入 射 角 的 函 数 。 ａ ，ｋ ，Ｃ 应用 Ｃ Ｏ Ｍ Ｄ系 列模 型需 要解 决 的 问题 包 括 ： 辐射 定标 ， 向的确定 ， 计算 等 ，ＭＯ 风 风速 Ｃ Ｄ模 型系 列 中 Ｃ Ｏ ４ Ｃ Ｄ ＩＲ 、 ＭＯ ５三种 Ｍ Ｄ 、ＭＯ — Ｆ ２ Ｃ Ｄ 模 型最为 广泛 。 ４模 式仿真 ４１与风 速 、 向的关 系 ． 风 理论 上 ， 速越大 ， 风 海面越 粗糙 ， 雷达 后 向 散射 越强 。 由仿真 图可 以看 出 ， 随着 风速 的增 大 ，ｒ 随之增 大 ， ０也 ｏ 与理 论相 符合 。 在风速 范 围 为 １７ ／和 ２ ～ ５ ／时 ，Ｍ Ｄ － ｍｓ ０ ２ｍｓ Ｃ Ｏ ５与 其 他 两 种模 式 曲线 有较 大差别 。Ｃ Ｄ 模 式是 欧洲 ＭＯ ５ 中长期预 报 中心 （ｃ Ｅ ＭｗＦ最新 提 出的经 验模 ） 式 ， 不 仅仅 是 Ｃ Ｄ 它 ＭＯ ４的 简单 升 级 ， 而是 对 程 序进行 了重新设 计 。 图 １ 出 了 Ｃ Ｏ ５ 与 风速 、风 向关 系 给 Ｍ Ｄ 图 ，表明风 向随 变化趋 势类 似 于余 弦 曲线 。 最 小值 出现在 风 速最 小 并 且风 向为侧 风 （０ ９。 或 ２０） ７。的情 况下 ， 大值 出现在风 速最 大并 最 且 风 向为 顺 风 （ ８ 。 或者 逆 风 （ 。 ３ ０ ） １０） Ｏ或 ６ 。 的
高新 技 术
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遥感 资料 反 演海 面风场 的新 方法研 究
韩 延 磊 李洪 平
（ 中国海洋 大学 ， 山东 青 岛 ２ ６ ０ ） ６ １０
ｃｎ ｕ ｔ ｇｒｎ ｏ ｓｒａｅ Ｊ】 ｏ ｄ ｃｉ ａ ｄ ｍ ｕｆｃ ｓ［ ． ｎ
Ｗａｅ ｎ ｖ ｓ ｉ Ｒａ ｄ ｍ ｄ ａ ， １ ９ ， ：８１ ９ ｎ ｏ Ｍｅ ｉ ９ ９ ９ ２ —２ ５
图 １ＣＭＯＤ ５模 式 风 ｏ，Ｄ．ａ ｄ Ｒ．Ｂ ａ，Ｍａ ｐｎ ｉｈ Ｔ ｎ ｅ ｌ ｐ ｉｇ ｈｇ — ｒｓ ｌｔｏ ｎ ｆ ｌ ｕｓｎ ｓｂｔｅｉ ａ ｅ ｔｒ ｅ ｏｕ ｉｎ ｗｉｄ ｉ ｄｓ ｅ ｉｇ ｙ ｈ ｔ ｃ ｐ ｒｕ ｅ ４ ． 同极化 比模式 ２不 ａ ａ ，Ｊ ｈ ｓ ｐ ｉ ＡＰ Ｔ ｃ ｎ ｃ Ｄ ｇ ｓ， Ｌ ｅ ｈ ｉａ ｌ ｉｅ ｔ 由于 Ｃ Ｄ模 式是 针 对 ｖ ＭＯ Ｖ极化 散 射计 ｒ ｄ ｒ ｏ ｎ Ｈｏ ｋｎｓ
Ｏ－ 。
两 种 新 的 极化 比模 式 （ ｄｌ、 ｏｅ ）反 演 ＭｏｅｌＭ ｄｌ ， ２ 结 果与 其他 风场 资料 匹配 良好 。Ｍ ｄｌ 的基 ｏｅ１ 本形 式如方 程
Ｐ 一 Ｒ １
（） ５
其 中 ，０ｃ 、 ２为 的常 系 数 方 程 ， ｃ 、 １ｃ ０为 人 射 角 ， 为 风 向 和雷 达 观测 方 向夹 角 。 ｄ ） Ｍｏｅ 模 式 的基本形 式如方 程 ｄｌ ２
总结 发现 ： ＭＯＤ５与 ＣＭＯＤ 、 Ｃ ４ ＣＭＯＤ ＩＲ２两 —Ｆ
种模 式曲线 有较 大差别 ，它不 仅仅 是 Ｃ Ｄ ＭＯ ４ 模式 的简单 升级 。 种模式都 表 明随着风速 的 三 增大 ，也 呈增 大 趋 势 ， 与理 论相 符合 ， 风 并且 向随 变化趋 势类 似于余 弦 曲线 。通 过六种 极 化 比模式 比较 发现 ， 中等入 射角情 形下 ， Ｖ 在 Ｖ 极化 雷 达 的后 向散 射 系数 比相 同波 段 Ｈ Ｈ极 化雷 达的要 强 。 通过介 绍两种 新 的极 化 比模 式 和美 国 Ｃ ＬＰ Ｏ激光 雷达 资料 特点 为反演 海 Ａ ＩＳ 面风 场提供 了更 多选 择 。
关 键 词 ：ＡＲ； 速 ； Ｓ 风 ＣＭＯＤ—Ｆ ２； ＭＯＤ５ Ｃ Ｄ４ Ｃ Ｌ Ｐ Ｏ ＩＲ Ｃ ； ＭＯ ； Ａ ＩＳ １ 引 言
海面 风场 与海 洋 中大 部分 的海水 运 动有 关， 是研 究海洋 的重要参 “散 射计是遥 感大 。 范 围海面风场 的 比较重 要 的传 感器 之一 ， 测量 结果 已经被广泛 的应用 于海 面风场 、 面浪场 海 和天气 预报 以及海洋参 数 同化 等研 究领域 。 目 前微 波散射计 能全 天候 获得 海面 风场 （ 风速 和 风 向 ） 息 ， 无 法满 足一 些 海 区更高 分辨 观 信 但 测 的需 要 。 具 有 高 分 辨 率 的 Ｓ Ｒ（ｙｔｅｃ Ａ Ｓｎｈｔ ｉ Ａ ｅｔ ｅ Ｒ ｄ ｒ技术 的 飞速发 展 ， 定程 度上 ｐｒ ｒ ａ ａ） ｕ 一 弥补 了散射计 的不 足之处 。 利用 Ｓ Ｒ图像 反演 海 面风 场 主要通 过后 Ａ 向散 射 系数 ，结 合 已知 的风 向信息 通过 Ｇ Ｆ Ｍ （ ｅｐｙｉ ｄｌＦ ｎｔ ｎ Ｇ ｏｈｓ ａ Ｍｏｅ ｕ ｃｏ ）得 出风 速 的信 ｃ ｌ ｉ 息 。 目前使用较 为广泛 的 Ｇ Ｆ是针对 ｃ波段 Ｍ ｖ ｖ极化 的 Ｃ Ｏ Ｍ Ｄ系列 函数 。 文对三 种散射 本 计 风 速 反 演 模 式 Ｃ Ｏ ＩＲ ，ＭＯ ５ Ｍ Ｄ—Ｆ ２Ｃ Ｄ ， Ｃ Ｄ 进行 了不同风 速 、 向 、 达入射 角条 ＭＯ ４ 风 雷 件下 的遥 感 仿真 研究 。考 虑 到极 化方 式 的不 同 ，文章 还对 六种 极 化 比模 式进 行 了分 析仿 真。 Ａ Ｓ （ ｃ ｕＰ ０ 美国云和 气溶胶 星载激光 雷达 ） 卫 星是 Ｎ Ｓ Ａ Ａ联合 Ｃ Ｅ 共 同开发 的 ， 星载 ＮＳ 将 激光 雷达从 试验 阶段 推 向了应 用 阶段。 激光雷 达 的分 辨 率 是 最 高 的 ，最新 研 究 表 明利 用 Ｃ ＬＰ Ｏ的 雷达 ５２ｍ 和 １２ｎ 波 段数 据 Ａ ＩＳ ３ｎ ０４ｍ 资料 也可 以反演验证 海面风 场 。 ２风场反演 的 的物 理机制 Ｃ ＬＯ 是一 台 敏感 于 偏振 光 的 双波 长 Ａ ＩＰ 激光 雷 达， 它以 高分 辨率 （ ｍ ３ ）提供 气 溶胶 的 ０ 垂直 分布 和云 的特性信 息 ， 波长 之 间的反 两种 向散射 信 号 差 别可 区分 气溶 胶 的颗 粒 尺 寸 。 Ｓ Ｒ为 主动式雷 达 ， Ａ 向海 面发射 电磁波测 量后 向散射 系数 （ Ｒ Ｓ 。 Ｎ Ｃ ）波束 人射 角 内散射 主要 表现 为为布拉格 共振散射 。 雷达测 量的后 向散 射系 数 由海 面厘 米 尺度 表 面波 与 电磁 波发 生 布拉格共振 引起 的 。其关 系式如 下 ：