海气边界层稳定度对C波段雷达遥感海面风场影响机理研究

High resolution (less than 1 km) sea surface winds retrieved from space-borne synthetic aperture radar (SAR) could be used in ocean environmental monitoring, marine weather forecasting, ocean disaster prediction as well as coastal resource development. However, during SAR winds retrieval, the stability condition of marine atmospheric boundary layer (MABL) has not been taken into account. Thus, the derived wind products have significant error in regions where the air-sea interactions are strong. ..In this study, we will analyze C band radar sea surface backscatter characteristic under unstable MABL conditions, propose a new model to describe the relationship of environment variables and radar return signals. Then satellite SAR and ocean moored buoy observation data will be implemented to validate the new model...The proposed method can reduce the effect of air-sea interactions on microwave remote sensing applications, and the error of sea surface wind retrievals under unstable MABL conditions. It will also improve the understanding of air-sea interaction processes, promote remote sensing applications into operational marine environment monitoring as well.

星载合成孔径雷达（SAR）获得的空间分辨率优于1公里的海面风场反演数据，在海洋环境监测、海洋数值预报、海洋防灾减灾和海洋资源开发等领域应用前景广阔。但目前SAR风场反演使用的海面后向散射模型未考虑大气边界层稳定态的变化，在海气相互作用剧烈区域风场反演误差很大。. 本研究将重点解决海气边界层不稳定情况下的海面C波段雷达后向散射机理问题，找到影响该过程的关键控制参量，并通过理论模型建立海气界面环境参量与海面微波后向散射强度间的定量关系，利用SAR观测数据和海洋浮标现场测量资料验证提出模型的实用性和精度，形成不稳定态下C波段雷达反演海面风场技术方法。. 项目研究成果可降低海气相互作用过程对微波遥感定量应用的影响，提高不稳定态条件下的海面风场遥感精度，促进海气相互作用过程的机理研究，推动微波遥感技术进入海洋业务化监测体系。

星载合成孔径雷达（SAR）获得的空间分辨率优于1公里的海面风场反演数据，在海洋环境监测、海洋数值预报、海洋防灾减灾和海洋资源开发等领域应用前景广阔。但目前SAR风场反演使用的海面后向散射模型未考虑大气边界层稳定态的变化，在海气相互作用剧烈区域风场反演误差很大。本研究以美国东海岸Gulf Stream海域作为研究区，从物理原理出发，同时考虑海水固有物理参量和海气相互作用的影响，建立了海洋微波回波散射信号与海面温度场相互作用机理模型，并利用2006至2009年共752景加拿大RadarSAT-1和欧空局ENVISAT/ASAR数据及时空匹配的NOAA/AVHRR海表温度资料，通过数据拟合得到了模型参数。为验证上述订正模型是否适用于海面风场反演，利用NOAA海洋浮标中心提供的定点浮标风场现场测量数据开展了模型的真实性检验，并与多种现有订正方法进行比较，结果表明本项目提出的海温订正模型在海面温度梯度变化剧烈海域可显著提高海面风速的反演精度，并且同时适用于HH极化和VV极化的微波雷达观测数据。考虑到半经验模型建立过程中仍然引入了大量的假设条件和经验近似，对中高海况条件下的复杂海面模拟能力仍存在不足。本项目开展了复杂海面条件下的海面散射机理模型研究，通过将海面统一描述为常规海面和一些破碎带，基于最新提出的曲率扩展散射模型，建立了包含波破碎影响的雷达后向散射机理模型。在电磁散射建模中采用了新的海浪谱模型，并通过仿真实验对海浪谱模型的电磁散射建模结果进行了对比分析。仿真模拟试验发现，在中小入射角情况下，来自波破碎增强的表面粗糙的准镜面散射会造成对雷达散射信号的增强，有效的解释了雷达海面后向散射在水平极化下随观测方位角变化的特性。为进一步增强对水平极化数据的模拟能力，项目组用116对2004- 2010年的ENVISAT/ASAR交替模式的双极化观测数据，建立了新的C波段海面后向散射极化比模型，并对新建立的极化比模型、现有的理论和经验极化比模型进行了系统对比分析，结果发现极化比不仅是入射角的函数而且还依赖观测方位角和风速，本项目新提出的极化比模型，能够更好的模拟C波段ENVISAT/ASAR双极化观测的极化比。典型海域试验结果表明本项目建立的海面雷达散射半物理模型和理论模型可用于复杂海面雷达遥感应用，提高海气相互作用剧烈海域SAR海面风场定量反演产品的精度。