星载合成孔径雷达海浪轨道速度遥感观测算法研究

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海浪运动的实质是:海水以波动的形式传播,水质点并不随波向前运动,而是做周期性或者准周期性的圆周或者椭圆运动,此时水质点的运动速度为海浪轨道速度。海浪轨道速度是一个有着重要理论和应用价值的参数。理论方面,根据海浪轨道速度,可以计算因海浪引起的质量和能量输送。在沿轨干涉合成孔径雷达(Along-track Interferometric Synthetic Aperture Radar,ATI-SAR)海流观测中,对海表面运动比较敏感,既监测到海表面流的运动也能监测到海浪轨道运动,可以利用海浪轨道速度去除因其导致的位相的改变,从而获得更加准确的海洋流场。在应用方面,海浪轨道速度是海洋工程中非常重要的参数,是莫里森方程计算海浪作用力的必要参数。然而,海浪轨道速度难于直接观测,国内外对海浪轨道速度的相关研究较少。许多学者对其只停留在初步认识阶段,并没有做深入的研究。因此,海浪轨道速度相关研究工作亟待开展。  考虑到海浪轨道速度的研究意义,以及现场观测比较困难,遥感观测可以作为一个有效的研究手段。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)对海面成像时,由于表面海水的运动,使得到的SAR海浪谱在方位向上存在波长截断现象,此波长称为SAR方位向截断波长。根据方位向截断波长与海浪轨道速度的关系,可以获得海浪轨道速度。本文主要利用同时搭载在ENVISAT上的ASAR(Advanced Synthetic Aperture Radar,ASAR)波模式数据和RA-2(Radar Altimeter2,RA-2)高度计数据,以及第三代海浪数值模式WaveWatchⅢ和混合坐标海洋模式(Hybrid Coordinate Ocean Model,HYCOM)数据对海浪轨道速度算法进行研究和分析。  本论文通过SAR方位向截断波长反演海浪轨道速度,主要开展了如下工作。首先,分别采用Stopa等文章中和Globwave PUG中改进方法对截断波长进行改进,分别称为截断波长Stopa改进方法和截断波长PUG改进方法。第二,通过方位向截断波长,分别利用Schulz-Stellenfleth和Stopa等文章中海浪轨道速度反演方法求取海浪轨道速度,简称为轨道速度Stopa法和轨道速度S-S法。把反演结果与Stopa等文章中验证结果对比分析,得出:Globwave PUG截断波长改进方法和S-S轨道速度方法相结合得出的海浪轨道速度最为准确;同时,根据反演结果,分析得出前文中方位向截断波长PUG改进法更为准确。把最佳反演结果与其影响因素进行统计分析,得到了轨道速度与风速、有效波高和雷达后向散射截面之间的定量关系,并验证了定量关系的准确性,为利用这些参数直接计算得到海浪轨道速度打下基础。第三,为了分析海浪轨道速度在ATI-SAR流场观测中的作用,利用RA-2高度计数据计算得到全球地转流场,与海浪轨道速度进行比对分析。发现海浪轨道速度在地转流速较大区域仅为地转流的0.2倍左右,在流速较小区域可达地转流速的3倍,表明海浪轨道速度对ATI-SAR海表面流场观测具有重要影响。最后,为了进一步分析海浪轨道速度对ATI-SAR流场观测的影响,通过两个高海况个例,把海浪轨道速度与模式数据计算得到的地转流进行对比分析。得出海浪轨道速度与地转流速的比值在两个高海况中平均分别为1.636和1.241,说明了海浪轨道速度在高海况ATI-SAR流场观测中具有重要的作用。
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