一种针对Windsat极化辐射计的海面风场反演方法

第２２卷第２期２００７年４月

遥感技术与应用

ＲＥＭＯＴＥＳＥＮＳＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴｌ０Ｎ

ｙＤＺ．２２ⅣＤ．２

４矿．２００７

一种针对Ｗｉｎｄｓａｔ极化辐射计的海面风场反演方法

刘碌怡１‘２，王振占１，殷晓斌１’３，姜景山１

（１．中国科学院空间科学与应用研究中心，北京１０００８０；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９；

３．中国海洋大学物理海洋实验室，山东青岛２６６１００）

摘要：星载极化微波辐射计（ｗｉｎｄｓａｔ）是美国于２００３年１月６日发射的全球第一颗星载极化微波辐射计卫星，目的是为了验证极化辐射计在卫星上遥感海面风场的能力。针对ｗｉｎｄｓａｔ在轨运行期间的数据，研究了风场反演的海洋和大气算法，进行了全球海面风场的反演，同时反演出其它地球物理参数。最后利用同步的其它数据对反演结果进行了验证。本文在极化辐射计风场反演方法和算法研究方面做了初步的尝试。

关键词：星戴极化微波辐射计；在轨定标；地物参数算法；风场反演

中图分类号：ＴＰ７９；Ｐ７３２．７文献标识码：Ａ文章编号：１００４一０３２３（２００７）０２—０２１０—０６

引言

Ｗｉｎｄｓａｔ全极化微波辐射计是全球第一颗星载全极化微波辐射计。它具有５个频率２２个通道，其中１０．７、１８．７和３７ＧＨｚ３个频率是全极化通道，能够测量海面微波亮温的所有４个Ｓｔｏｋｅｓ参量，６．８和２３．８ＧＨｚ是传统的两个正交通道辐射计，能够测量水平和垂直极化亮温。Ｗｉｎｄｓａｔ在轨运行近３年，获得了大量的地表极化辐射信息数据，为研究海面风场提供了宝贵的全球海洋亮温数据。本文首先利用与Ｗｉｎｄｓａｔ匹配的国家环境预报中心（ＮＥＣＰ）数据，通过海面发射率和大气吸收系数模式的计算，建立了海面反演算法和大气反演算法。然后，针对２００３年８月至２００４年３月的Ｗｉｎｄｓａｔ亮温数据，利用物理统计方法结合最大似然估值法进行海面风场的反演，同时反演出海洋和大气的其它参数。最后，将反演结果与ＮＥＣＰ数据进行比较和分析。本文所用数据来自Ｗｉｎｄｓａｔｌ．９版本‘¨，并且仅使用了前向扫描数据。

２海面风场反演辐射传输模式函数的建立

微波辐射传输模式是反演算法的物理基础。Ｗｉｎｄｓａｔ辐射计通道测量的亮温是海洋和大气辐射亮温的函数，其辐射传输模式函数为［２］：

丁Ｂ，一丁删＋ｒ［Ｅ，Ｌ＋尺，（Ｔ肋＋ｒ丁廊）］（１）丁Ｂ＾一Ｔ肼＋ｒ［Ｅ＾Ｌ＋Ｒ＾（Ｔ肋＋ｆ丁嬲）］（２）丁Ｂ３＝ｒ［Ｅ３Ｌ＋Ｒ３（丁肋＋ｒ丁髓）］（３）丁Ｂ４＝ｒ［Ｅ４７０＋Ｒ４（丁肋＋ｒ丁盯）］（４）其中：丁Ｂ，（户一ｙ，＾，３，４）是各个通道的测量亮温，用４个ｓｔｏｋｅｓ参数表示。Ｔ剧为上行辐射亮温，丁肋为大气下行亮温，丁昭为宇宙背景温度，ｒ为大气透过率，丁；是表面物理温度。Ｅ，、Ｒ，（户一ｖ，＾，３，４）表示海面发射率和反射率。

为了反演海面参数，如海面风速训ｓ和风向叫矾以及大气参数，如水汽含量ｙ和液水含量Ｌ，必须建立它们与海面发射率Ｅ，和反射率Ｒ，以及大气上行亮温丁肼、下行亮温丁肋、大气透过率ｒ之间的关系。

２．１大气算法

根据大气微波辐射传输的基本理论，主要考虑无雨情况下大气吸收引起的衰减和辐射，利用与ｗｉｎｄｓａｔ相匹配的ＮＣＥＰ提供的包括大气温度、湿度、液态水等参数的大气廓线数据以及ｍｐｍ９３模式［８３进行计算，直接推导大气上、下行辐射亮温和透过率与水汽含量ｙ、液水含量Ｌ的关系。当液态水含量小于０．３ｍｍ（基本无雨）时，大气上行辐射亮

收稿日期：２００５—１２一０４；修订日期：２００６—０４—１８

作者简介：刘王景怡（１９８０一），女，博士研究生，研究方向为全极化微波辐射计的风场反演和定标技术。

第２期刘碌怡等：一种针对ｗｉｎｄｓａｔ极化辐射计的海面风场反演方法２１１

温丁删、大气下行辐射亮温丁肋、大气透过率ｒ可分别表示为：

丁础，７１肋，ｒ一以＋６ｙ＋ｃｙ２＋ｄＬ＋ＰＬ２＋∥Ｌ＋ｇＥ＋

＾丁，ｙ＋ｉ丁，Ｌ（５）

表１给出了针对Ｗｉｎｄｓａｔ的５个频率和入射角下的不同参数的系数。

２．２海洋算法

假设泡沫的覆盖率为厂，泡沫的发射率为１，那

表１大气算法的系数

Ｔａｂｌｅ１Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ

么式（１～４）中，海面的发射率Ｅ。为：

Ｅ，＝（１一厂）ｅ，＋厂＋△ｅ，（６）

Ｅ＾一（１一厂）ｅ＾＋厂＋△ｅ＾（７）

Ｅ３一△ｅ３（８）

Ｅ４一△ｅ４（９）

其中：厂采用Ｍｏｎａｈａｎ模式‘３｜：

厂一１．９５＿训ｓ２。５６（１０）

其中：ｅ。ｅ。是与风向无关的表面发射率，△ｅ，、△ｅ。、

△ｅ。、△ｅ。表示风向引起的发射率变化：

ｅ，一ｅ，ｏ＋ｅ。（１１）

ｅ＾一ｅ＾０＋ｅ＾。（１２）

△ｅ，．＾一日。ｃｏｓ口＋６。ｃｏｓ２口（１３）

△ｅ３，４一以。ｓｉｎ口＋６。ｓｉｎ２口（１４）

为了简化，反射率尺，可以表示为：

Ｒ一国，（１一Ｅ，）Ｒ＾一国＾（１一Ｅ＾）Ｒ３一一力３Ｅ３Ｒ４一一ｎ４Ｅ４（１５）（１６）（１７）（１８）

其中：Ｄ，、鼠、Ｑ。、ｎ。分别表示对粗糙表面引起反射率变化的校正。我们利用与ｗｉｎｄｓａｔ相匹配的ＮＣＥＰ提供的海洋参数数据，以及Ｔｗｏ—ｓｃａｌｅ模式‘钆１０３进行计算，建立海洋算法如下。

２．２．１平静海面反射率

根据Ｅｌｌｉｓｏｎ的介电常数模式嘲，模拟与Ｗｉｎｄｓａｔ匹配的海面温度７１，，利用Ｆｒｅｓｎｅｌ反射定律，计算平静海面反射率。通过式（１９）产生平静海面正交通道的反射率算法：

ｎ，＾一［口１≠＋乜２￡２＋口３￡ｃｏｓ＠＋口４ｃｏｓ＠＋

口５ｆｃｏｓ２＠＋口６ｃｏｓ２＠＋口７］／丁，（１９）其中：＠一（￡＋口８）／口。，丁，一￡＋２７３．１６（单位Ｋ）。方程（１９）的系数口，～口。见表２。

２．２．２风成海面发射率

ｅ。的算法形式为：

ｅｍ＝口１叫ｓ２＋ｎ２硼５＋以３（２０）表３给出５个频率下的系数口，：口。。

２．２．３风向谐波系数

对于（１３）～（１４）的风向公式，采用下面的形式确定系数％”玩，，的表达式：

口Ⅲ一以１伽ｓ２＋口２叫５＋以３（２１）

玩．ｐ一６１叫ｓ２＋６２硼ｓ＋６３（２２）