主被动L-波段白冠覆盖海面盐度微波遥感机理研究

There is an open problem for retrieving sea serface salinity (SSS)of a sea surface covered with whitecaps from passive and active L-band microwave (PAL) observation under the wave breaking. To reduce the SSS retrieval errors, we will in this project investigate the infulences of whitecaps on the L-band microwave backscatter coefficients (BC) and emissive brightness temperatures (BT) using both theoretical and experimental investigations. Theoretically,we will use the electriomagnetic wave and microwave radiative transfer theories of a random and rough composite surface as well as the effective medium approximation method of composites to formulate the SSS retrieval model by combining with L-band BC and BT. In the model, some factors of air-sea interfaces are considered including whitecap thickness,whitecap coverage, seawater coating bubble and drop sizes, seawave spectra, wind field and air-sea temperature difference. In the active part of the model,we discuss the impacts of wave spectra under wavebreaking, whitecap parameter and wind speed on the BC. The whitecap parameters,wind field and air-sea temperature difference are also included in the passive BT of a rough sea surface. Meanwhile, the experiments of PAL obervations are conducted in a local sea region.Then,the experimental data and satellite data are adopted for correcting the theoretical retrieval model of SSS. This research will improve the SSS retrieval accuracy of sea surface covered with whitecap by a combined PAL microwave observation.

白冠覆盖海面主－被动盐度遥感是目前海洋遥感的难点问题，消除白冠对微波辐射和散射的影响是提高盐度反演精度的有效途径。项目在主-被动盐度微波遥感机理和实验基础上，针对白冠物理特征，利用粗糙随机复合界面电磁散射和辐射传输理论以及有效复合介质近似理论，探讨白冠层参量的Ｌ波段微波后向散射系数和辐射亮温影响，建立包括风场、白冠层厚度、气泡和水滴尺度、白冠覆盖率、海面波谱和海气界面温差等因素影响的主-被动盐度遥感复合模式（即：同时包括后向散射系数和辐射亮温的模式）。该复合模式的主动模式部分将充分考虑海浪破碎产生白冠时海面波谱、白冠层参量和风场的L波段散射影响;被动模式部分将重点考虑粗糙面白冠层参量、风场、波高和海气界面温差的亮温增益影响。同时，利用主-被动L波段微波散射和辐射外海实验以及卫星观测资料修正理论模式,最终得到机理性的主－被动盐度遥感模式。该研究有利于提高白冠覆盖海面盐度反演精度。

白冠覆盖海面盐度遥感是国内外海洋遥感的难点问题。在理论和实际遥感模式中消除白冠的微波辐射和散射影响是建立高精度盐度模型的关键因素。本项目开展白冠覆盖海面主被动L波段海面盐度遥感机理和理论模式研究，理论上揭示了白冠层微波辐射增益和散射机理，为主被动L波段海面盐度遥感模式建立提供理论基础。理论研究方面：采用电磁波理论研究了白冠层空气垂向分布情况下微波辐射理论模式，主要采用空气在海水中的扩散方程获得了空气体积分布函数以及相应的物理参数对白冠微波辐射率的影响。探讨了海气温差和气泡上升速度对白冠层辐射率的影响机制。扩展了瑞利方法，采用密集气泡模拟白冠层泡沫结构获得了不同空气含量的白冠层微波辐射率理论模式，同时利用Pade近似方法获得了快速计算白冠层有效介电常数公式，为计算不同空气体积分数的白冠微波辐射率提供了理论基础。同时建立白冠覆盖海面L波段亮温模式，分析了完全白冠覆盖海面的盐度反演误差以及该模式反演白冠层空气体积分数的误差估计。实验方面：建立了白冠层微波辐射实验系统，开展了白冠覆盖海面的L和C波段辐射亮温观测实验，获得双波段的白冠层辐射亮温资料，建立了相应的理论分析模式，揭示了白冠层粗糙水面、白冠层厚度、空气体积分数、温度和盐度对L和C波段辐射率的影响。同时2013年8月在莱州湾开展了航空遥感实验，获得了L和C双波段粗糙海面微波辐射亮温资料，利用该观测资料建立了近海海面盐度和温度耦合反演模式，其温度和盐度反演误差分别为0.5摄氏度和0.5psu。在模式分析方面：采用主被动L波段盐度遥感模式，分析白冠覆盖海面不同温盐以及风速分布对盐度遥感误差的影响。同时，利用高斯随机亮温误差，模拟了不同时间尺度和空间尺度盐度反演误差变化规律，估计了在不同参数观测误差、模型误差等共同作用下L波段盐度遥感模式的总体误差。该结果为研制我国盐度卫星传感器，制定海面亮温观测误差技术指标提供了参考依据。