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遥感资料反演海面风场的新方法研究

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遥感 资料 反演 海面 新方法 研究
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中 国新技术新产品2010 技 术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 266100)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数[1]。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 、海面浪场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)信息,但无法满足一些海区更高分辨观测的需要 。具有高分辨率的 术的飞速发展,一定程度上弥补了散射计的不足之处 。利用 像反演海面风场主要通过后向散射系数,结合已知的风向信息通过 得出风速的信息 。目前使用较为广泛的 针对 C 波段化的 列函数 。本文对三种散射计 风 速 反 演 模 式 行了不同风速 、风向 、雷达入射角条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 。国云和气溶胶星载激光雷达)卫星是 合 同开发的,将星载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,最新研究表明利用雷达 532 1024段数据资料也可以反演验证海面风场 。2 风场反演的的物理机制一台敏感于偏振光的双波长激光雷达 ,它以高分辨率 (30m) 提供气溶胶的垂直分布和云的特性信息 ,两种波长之间的反向散射信号差别可区分气溶胶的颗粒尺寸 。主动式雷达,向海面发射电磁波测量后向散射系数( 。波束入射角 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:( 1)其中 θ 为入射角 。海面粗糙度与海面厘米尺度表面波紧密相关,而海面粗糙度与局部风大小有关 。当风速较小时,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,生成更多的短波,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,后向散射系数的变化间接反映着风速的变化 。对于光雷达来说,一定范围内风速越大,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 携带的 C 波段 /散射计,人们发展了 个实用经验模型 。针对 的 段 / 散 射 计 人们发展了 个实用经验模型 。起初列模型和 列模型仅用于散射计,后来人们发现对于 适用 。本文仅讨论运用较多的 列模型 。列模式函数一般形式为:( 2)其中 σ0为雷达测量的后向散射系数; u 为海面 10m 高处的风速; α 为雷达观测方向与风向的夹角, a,b,c,k 是电子波束入射角的函数 。应用 列模型需要解决的问题包括:辐射定标,风向的确定,风速计算等, 型系列中 种模型最为广泛 。4 风速 、风向的关系理论上,风速越大,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, σ0也随之增大,与理论相符合 。在风速范围为 1~7m/s 和 20~25m/s 时, 其他两种模式曲线有较大差别 。式是欧洲中长期预报中心( 新提出的经验模式,它不仅仅是 简单升级,而是对程序进行了重新设计 。图 1 给出了 风速 、风向关系图,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( 90°或 270°)的情况下,最大值出现在风速最大并且风向为顺风( 180°)或者逆风( 0°或 360°)的情况下 。图 1 式风速 、风向和 同极化比模式由于 式是针对 化散射计的,基于此提出了极化比概念,用来研究该模式在 划下的表现 。极化比 义为( 3)其中, σ00H 和 化条件下的后向散射系数 。目前,比较常用的极化比模式为 ]、]、]等四种 。最近, ]在应用 像反演风场时提出了两种新的极化比模式( 反演结果与其他风场资料匹配良好 。基本形式如方程[5]( 5)其中, 1、 的常系数方程, θ 为入射角, 准 为风向和雷达观测方向夹角 。式的基本形式如方程[6](6)其中, A、B、C 是常数分别为 入射角 。在六种极化比模式中,只有 式和入射角 、风向两个参数有关,其他五种只与入射角有关 。5 结束语本文对应用 像反演海面风场方法进行了阐述,并对三种反演模式进行了仿真 。总结发现: 种模式曲线有较大差别,它不仅仅是 三种模式都表明随着风速的增大,也呈增大趋势,与理论相符合,并且风向随 变化趋势类似于余弦曲线 。通过六种极化比模式比较发现,在中等入射角情形下, H 极化雷达的要强 。通过介绍两种新的极化比模式和美国 光雷达资料特点为反演海面风场提供了更多选择 。参考文献[1]王铁,合成孔径雷达反演黄海海面风场 [J],海洋湖沼通报 ,2007(4):102]冯倩,多传感器卫星海面风场遥感研究 [d],青岛:中国海洋大学, 2004: 623] K. of ] . 1985 , 2 ) :844] T , R , et A J ] 1999 ,9 :281]D. . 1: 582000.[6]A. . of 123,4911997b.[7]A. . 1626 :本文对应用 像反演海面风场方法进行了阐述,并对三种反演模式进行仿真总结 。首先介绍像风场反演的的物理机制,接着介绍风场反演的地球物理模式函数( 并对 种模式进行仿真,得到雷达后向散射系数和风速 、风向 、入射角 、极化方式的关系 。特别对两个较新的极化比模式进行了介绍和分析 。此外对当前应用美国 光雷达卫星资料验证海面风场的方法进行了阐述和探索 。关键词 :速; q=[3]( )) ( ) ( )1 a u b cs q q a q + +) ( ) ) Cq q f q f=+ +1) 19- -
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