合成孔径雷达图像中白冠覆盖率的特征及参数化

Wave breaking is an important physical process in air-sea boundary, and plays a significant role in air-sea interactions including heat and gas exchange, wave energy dissipation, vertical mixing in the upper ocean and remote sensing. It is usually described using whitecap coverage which is expressed as an empirical formula of wind speed. So far, remote sensing has been an effective tool to observe wave breaking, among which Synthetic Aperture Radar (SAR) is widely used because of its all-time/all-weather, large area and high-resolution observations. It is clear that the wave breaking area affects the radar cross section (NRCS) significantly, making SAR the first choice of remotely observing ocean whitecaps. Using theoretical and data analysis methods, it is focused to study the characteristics of NRCS when wave breaks under different wind speeds, establish a sea surface microwave scattering model considering wave breaking based on the classical Bragg scattering theory, discuss the effect of wave breaking on SAR imaging of sea surface and quantify the NRCS of wave breaking to obtain whitecap coverage. Meanwhile, using the wind speed and wave information retrieved from SAR images, the relationships between whitecap coverage and wind speed and wave parameters will be analyzed and the parameterization of whitecap coverage will be established. This study will have scientific significance in momentum, heat and gas exchange at the air-sea interface and remote sensing mechanisms.

波浪破碎是海气边界层的重要物理过程，在海气相互作用包括热量和气体交换、波浪能耗散、海洋上层垂向混合等过程以及遥感中作用显著。一般用波浪破碎生成的白冠覆盖率来描述，通常表示为风速的经验公式。遥感已成为观测波浪破碎的有效手段，其中合成孔径雷达（SAR）以其全天时/全天候、大范围、高空间分辨率的观测特点被广泛应用，破碎区对SAR后向散射截面（NRCS）有明显影响，因此成为遥感观测海洋白冠的首选。本项目拟采用理论以及数据分析方法，重点分析不同风速下，SAR图像在波浪破碎时的NRCS特征，基于经典Bragg散射理论，建立考虑波浪破碎的海面微波散射模型，理论上探讨波浪破碎对SAR成像的影响，并量化波浪破碎的NRCS，获得白冠覆盖率。同时反演SAR图像的风速和波浪信息，分析白冠覆盖率和风速、波浪参数间的关系，建立白冠覆盖率的参数化。本研究将在海-气动量、热量和气体交换以及遥感机制等方面具有重要科学意义。

波浪破碎是海气边界层的重要物理过程，在海气相互作用包括热量和气体交换、波浪能耗散、海洋上层垂向混合等过程以及遥感中作用显著。破碎区对合成孔径雷达（SAR）后向散射截面（NRCS）有明显影响，因此成为遥感观测海洋白冠的首选。本项目分析了波浪破碎时的雷达后向散射截面特征，比较破碎时的NRCS与经典Bragg散射理论的差别。在经典Bragg散射模型基础上，考虑波浪破碎影响，分析二维海表面SAR成像特征；分析雷达参数、环境参量和白冠覆盖率对SAR成像的影响，量化破碎区NRCS特征量。分析SAR图像的不同风速对应的破碎NRCS特征值，根据破碎NRCS随风速变化的规律，并考虑SAR图像反演的风和波浪信息，探讨白冠覆盖率的参数化方案。此外，作为本项目的研究延伸，利用SAR数据反演的波浪参数，结合海浪数值模式数据，对涌浪在浪致沉船事故中的作用进行了研究。风在波浪破碎中的作用显著，因此风场本身的分布变化特征也值得研究。利用交叉校正的多平台遥感风场数据（CCMP），对南海24年的风场能量分布变化情况进行了研究。研究结果表明， NRCS大小与海表风速呈现正相关关系，即风速增大时，NRCS会相应增大；NRCS大小相对于风向和雷达波束观测方向大致呈现周期性，即风向与观测方向平行时，NRCS信号最强，而两者垂直时信号最弱；风向朝向观测方向时的NRCS大于风向背离观测方向的情况；在中高风速条件下，发生波浪破碎时，接收到的NRCS会有额外的附加值。风浪、涌浪混合有效波高绝大部分大于2.0 m，涌浪波高占比在50%以上且风浪和涌浪夹角大于45˚时，更容易发生沉船事故。南海各季节和年度平均风能密度在三个统计值（均值、第90和99百分位数）上均呈现增加趋势，且此趋势呈现明显的时空变化特征。趋势量值在冬季最大，春季次之，夏秋季节最小。南海北部趋势增长比南部大。