第六章 海面風場遙感 - 海洋遙感課件

海洋遙感TheOceanicRemoteSensing2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感第六章海面風場遙感

概述微波散射計測量海面風場

SAR獲取海面風場信息其它方法測量海面風速2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.1概述1.海面風場測量的意義

海面風場測量對于海洋環(huán)境數值預報、海洋災害監(jiān)測、海氣相互作用、氣象預報、氣候研究等都具有重要意義。常規(guī)資料主要通過船舶、海上浮標、沿岸和島嶼氣象臺站來測量獲得，難以滿足宏觀、實時海洋監(jiān)測的需要，衛(wèi)星遙感技術起到了非常重要的補充作用。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.1概述2.海面風場遙感測量的波段與傳感器可見光、紅外遙感方法微波散射計微波輻射計高度計SAR2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.1概述3.海面風場微波遙感測量的原理

風速測量-微波傳感器不能直接測量海面風矢量，微波測量海面風速是基于海面的后向散射或亮溫與海面的粗糙度有關，而海面粗糙度與海面風速之間具有一定的經驗關系而進行的。風向測量-對同一海域不同入射角的資料進行分析，可獲得風向分布信息。

用于描述雷達后向散射系數與海面風矢量(風速和風向)之間的經驗關系稱為風場反演的地球物理模式函數。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場1.發(fā)展歷史1966年Morre教授提出散射計測量海面風場的概念。1973年Skylab衛(wèi)星S-193散射計和1978年Seasat-A衛(wèi)星SASS散射計的成功經驗證實了該技術的有效性。1991年ESA的ERS-1衛(wèi)星上裝載了主動微波探測儀，使衛(wèi)星散射計風場測量進入業(yè)務化監(jiān)測的新紀元。1999年QuikSCAT衛(wèi)星的SeaWinds散射計提高了測量精度。

目前測量風速范圍在4～24m/s，精度為±2m/s或10％，風向范圍0～360°，精度±20°。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場2.測風原理

微波散射計（Ku波段和C波段的微波散射計）通過測量海面微波后向散射系數，根據它與海面風矢量的經驗模式函數來反演海面風場。微波散射計的入射角一般大于20度，散射計測量海面風場以Bragg共振散射模型和雙尺度模型為主。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場2.測風原理（1）雷達后向散射系數的計算：（2）單位面積后向散射系數的Bragg表達：

可見，后向散射系數隨摩擦風速u線性增長。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場2.測風原理（3）海面高度z處風速的計算：（Monin-Obukhow方程）

可見，后向散射系數與海面風速具有較大相關性。us為海面風速，ka為Karman常數（常取0.4），z0可用經驗關系式表達，ψ為考慮大氣穩(wěn)定性的修正值，L為M-O長度。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場2.測風原理（4）后向散射系數與風向之間的關系：

在風速固定的條件下，后向散射系數在逆風觀測時最大，順風其次，而橫風最小。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場3.海面風場反演過程（1）反演步驟計算歸一化后向散射系數，并獲得不同視角天線對同一區(qū)域的觀測；利用風矢量與歸一化后向散射系數之間的關系，進行風速和風向估計；多個可能風矢量解模糊性的消除。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感海面風場微波散射計測量流程2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場3.海面風場反演過程（2）風矢量反演模式一般情況下，風矢量反演模式表達為：

試驗基礎上，已獲得后向散射截面與風矢量之間具有如下關系：式中系數根據經驗確定，取決于入射角θ。Φ為相對方位角，與風向和雷達觀測方位角有關。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感※模式函數研究進展SASS-1模式函數

SASS-2模式函數

NSCAT-1模式函數

NSCAT-2模式函數

QSCAT-1模式函數

Ku-2001模式函數CMOD1-12模式函數

CMOD-IFR2模式函數Ku波段的模式函數C波段的模式函數6.2微波散射計測量海面風場

模式函數一般采用統計的方法經驗獲得。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場3.海面風場反演過程（2）風矢量反演模式-常用：

下標0u、0d和0c分別表示逆風、順風和橫風時觀測的后向散射系數。風速、入射角和極化方式的函數。Φ為相對方位角，為風向和雷達方位角之差。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場3.海面風場反演過程（2）風矢量反演模式入射角和風向固定時，后向散射截面隨風速的變化2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場3.海面風場反演過程（2）風矢量反演模式風速固定時，后向散射系數隨相對方位角的變化2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場3.海面風場反演過程（3）實際應用的風矢量反演模式Ku波段-Morre模式Ku波段-Wentz（SASS-II模式）2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場3.海面風場反演過程（3）實際應用的風矢量反演模式C波段–本質是簡化的Morre模型主要針對ERS系列衛(wèi)星的模型，相繼開發(fā)出了CMOD1-12模型。CMOD5-12：CMOD-4（歐空局采用的標準算法）：2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感后向散射系數隨風速和風向的變化(CMOD4)2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場3.海面風場反演過程（3）實際應用的風矢量反演模式

由以上可見，模式函數是風速、風向、入射角、天線極化方式等參數的非線性函數，加上后向散射系數測量噪聲的影響使得無法利用模式函數直接獲得風矢量信息。所以，需要其它方法的配合進行風矢量求解。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場3.海面風場反演過程（4）實際求解中的最大似然反演法最大似然估計的目標函數：后向散射系數的測量值后向散射系數的模式預測結果

2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場3.海面風場反演過程（4）實際求解中的最大似然反演法首先取風向為0度，給定一個起始風速(如7m/s)，在風速區(qū)間范圍內(如0-50m/s)按一定間隔尋找使目標函數式取得最大值的風速，記錄風速值和相應的目標函數值；風向增加一個間隔，以上一個風向下找到的風速為起點，重復上步，直到整個風向區(qū)間(0-360°)搜索完畢為止；將局部最大值按從大到小的順序排列,取出前四個對應的風速、風向作為模糊解。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場3.海面風場反演過程（4）實際求解中的最大似然反演法

研究表明，在絕大數情況下，真實的海面風矢量就是最大似然意義上的第一或第二解，而且這兩個解之間存在180度的方向差。一般情況下，有60%的最可能風矢量解接近真實風速和風向，大約30%的最可能解與實際真實風向相反。

對此，技術上主要采用中值濾波方法進行多解消除處理。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.2微波散射計測量海面風場3.海面風場反演過程（5）風向多解消除-矢量中值濾波

對于每個窗口，計算中心點的濾波函數值，用最小值Uij所對應的風矢量代替方程中的Umn，重復計算滑動窗口，直到Uij=Umn。另外，還有一種場方式模型的多解消除方法。

矢量中值濾波初始場的確定：最可能的風矢量解作為初始場、模式風場作為初始場。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.3SAR獲取海面風場信息1.SAR獲取海面風場的意義

盡管微波散射計具有全天候條件下獲得全球海面風場的能力，但其分辨率不能滿足近岸帶觀測的需要，高空間分辨率的合成孔徑雷達可以彌補散射計測風的不足。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.3SAR獲取海面風場信息2.SAR獲取海面風場的原理SAR在波束入射角20～70的情況下，所接收來自海面的后向散射主要為Bragg散射，其中風是影響后向散射的主要因素之一。根據風速與雷達后向散射系數之間的關系，可進行風速的反演；利用SAR圖像上與風向有關的“風條紋”結合氣象預報模式結果或者現場測量數據，可獲得風向信息。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.3SAR獲取海面風場信息3.SAR獲取海面風場的流程SAR圖像校準SAR后向散射系數風向信息模式風場CMOD模式函數海面風矢量2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感雷達后向散射系數與雷達亮度的關系：后向散射系數與DN值之間的關系為：DN值與雷達亮度和后向散射系數的關系：K為校準常數

為參考入射角23°為入射角

ERSSAR數據（1）圖像輻射定標2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感雷達亮度與DN值的的關系為：雷達后向散射系數與雷達亮度的關系為：為雷達入射角；

為輸出定標增益；

為偏移量

RadarSatSAR數據（1）圖像輻射定標h為衛(wèi)星軌道高度；r為地球半徑；R為斜距。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感（2）CMOD模式函數-后向散射系數；VV-垂直極化；-風向和雷達天線方位角；CMOD-IFR2模式函數較為常用-只適合于VV極化：-海面上10米高度處風速；工作于HH極化的SAR，需要描述HH和VV極化關系的極化率模型。如：2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感（3）風向的確定

通常情況下，SAR圖像上存在與海面局部風向平行的條紋，稱為風條紋。由此，可通過SAR圖像的低波數譜來確定風向。

通過該方法可直接利用SAR圖像反演風向，不需要輔助信息。但得到的風向有180度的風向模糊，而且SAR圖像上的線性特征不總是存在?？赏ㄟ^其它方式如模式風場、現場觀測數據、浮標數據等來配合風向的確定。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感2000/11/15UTC09:44RADARSATSAR反演的海面風場

圖像譜圖像風矢量2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感（4）SAR反演海面風速誤差分析

利用合成孔徑雷達SAR圖像反演高分辨率的海面風矢量的誤差主要與經驗模式函數、風向、入射角和后向散射系數有關。入射角可準確計算，其影響較??；誤差隨風速的增大而增大；圖像上的噪聲造成后向散射系數的誤差，從而影響風速反演精度。2023/11/20第六章海面風場遙感-海洋遙感6.4其它方法測量海面風速1.微波輻射計測量海面風速（1）基本原理

基于海面微波輻射率與海面粗糙度之間具有高相關特征（粗糙度增加，海面輻射率增加，極化特征變弱），而海面粗糙度又與風速有關。（2）