SAR反演海表流场的关键问题研究

Ocean surface currents are one of the most basic and important element in the process of ocean and meteorology, they have an important influence on the formation of local weather and global climate change. At present, ocean surface currents based on Synthetic Aperture Radar (SAR) are mainly achieved by constructing the relationship between the currents and the SAR motion parameters, and less theoretically illustrates the influence of currents and their variation on the SAR backscattering cross section. In the proposed study, according to the ocean surface microwave scattering theory, we introduce the ocean surface currents into the wave number spectrum balance equation, and study the modulation of the surface currents and their variation on the SAR backscattering cross section. The electromagnetic scattering mechanism of the ocean surface currents based on SAR will be explored. At the same time, taking into the consideration of ocean surface wind, nonlinear hydrodynamic effect and large-scale wave orbit motion, the Doppler spectrum characteristics of ocean surface electromagnetic scattering will be conducted. With the synchronous observation data, a Doppler frequency model will be established to retrieve the ocean surface currents. The inversion accuracy and error sources in the SAR ocean surface currents inversion model will also be discussed. SAR, with all weather, all-time imaging marine capabilities on multi-scale spatial observation will also be showed. The study will contribute to better understand the large scale ocean-air interaction and long-term climate change, which is important for oceanography itself and offshore engineering, marine forecasting, shipping and military.

海表流场是海洋和气象领域诸多过程中最基本、最重要的要素之一，对局部天气的形成乃至全球气候变化都有重要影响。目前，合成孔径雷达SAR海流探测主要通过构建SAR所测得的运动参数与海流的关系来获取，较少从理论上说明海流作用于海表面对SAR后向散射截面的影响。本研究依据海面微波散射理论，从波数谱平衡方程出发引入海表流场，探究海流及其变化对SAR后向散射截面的调制，开展海表流场SAR电磁散射机制研究。综合考虑海面风、非线性水动力作用及大尺度波浪轨道运动等因素的影响，研究海面电磁散射的多普勒谱特性。在此基础上，结合同步观测数据，构建基于多普勒法的SAR海表流场反演模型，评价反演精度和误差，展现不同模式SAR全天时全天候、多空间尺度上对海洋监测的独特优势。该研究将有助于更好地理解大尺度海气相互作用和长时期气候变化，对海洋学本身及海洋工程、海洋预报、航运和军事等都有重要意义。

海表流场是海水运动的重要方式，作为海洋和气象领域诸多过程中最基本、最重要的要素之一，在海流运动过程中会对海洋上空局部天气的形成及气候变化产生重要影响。海流的微波遥感监测在海流反演方面居于主流地位，多普勒信息是主要的海表动力遥感参数，对于海表流场和中尺度-次中尺度过程的研究具有重要作用。本项目的研究内容是将海流引入到波数谱平衡方程中，采用海面微波双尺度散射模型，研究海流作用于海表面，对SAR后向散射截面的调制机制及对多普勒谱特性的影响。进一步构建基于多普勒法的SAR海表流场反演模型，结合SAR同步海流观测数据和数值模型模拟海流数据，开展SAR海流精度验证和误差评价。重要结果表明海表流场通过改变海表面几何特征及海面微尺度波的空间分布，引起SAR海面后向散射截面及多普勒谱发生变化，通过多普勒中心频移的形式在SAR影像中体现。海浪中波长较长的重力波和波长较短的毛细波之间的非线性相互作用会导致小尺度Bragg分量的改变，影响回波的多普勒谱特性。另一方面，基于多普勒频移获得的SAR多普勒径向速度包括散射面元的平均运动速度，海表流场径向速度及大尺度波浪对小尺度波浪的倾斜调制和流体力学调制引起的贡献值。高精度的SAR海流反演需要去除非海流因素导致的多普勒频移，包括重力波、波浪间非线性水动力作用、海表风和强后向散射变化等引起的多普勒频移。此外，雷达参数（入射角、极化方式、成像几何特征）也会对SAR海流观测产生影响。结合全球海洋观测产品、浮标数据和同步观测数据，验证了SAR反演得到的海流数据，研究认为SAR海流具有宽流速范围的观测潜力，能够捕获不同尺度的海流位置、方向和动态。因此SAR海流反演研究和同步现场观测收集，有助于更好地理解SAR的影像特征和SAR海流的成像机理，推动SAR海表动力参数的监测。本研究将为SAR海表流场的业务化提供重要的科学参考，对船舶航运路线的制定、海洋环境的监测和预报提供有价值的基础数据和理论支持，增强对海气耦合系统的了解和认识。