我国首台天基微波散射计测量海面风场的应用研究

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1、第28卷第1期海洋技术Vol.28，No.12009年3月OCEANTECHNOLOGY海洋技术Mar，2009第28卷我国首台天基微波散射计测量海面风场的应用研究孙强，孙瀛（国家海洋局第三海洋研究所，福建厦门361005）摘要：介绍了微波散射计测量海面风场的原理和反演算法，并将此算法应用于我国首台天基微波散射计，获得了我国自主资料的第一幅海面风场图。关键词：微波散射计；海面风场中图分类号：TP722.4文献标识码：B文章编号：1003-2029（2009）01-0070-051引言风速之间存在着相关关系。微波对海洋厘米级表面张力波和重力波的Bragg共振散射理

2、论的出现，为散射计测风奠定了自1978年NASA发射了SASS以来，微波散射计一直是理论基础。Bragg共振散射可以用图1加以说明：获取全球海面风场的最重要的手段，20多年来，NASA（美国航空航天局）、ESA（欧空局）、JAXA（日本航天署，其前身为NASDA）先后发射了SASS（SEASAT-A）、NSCAT（ADEOS-I）、SEAWINDS（QUIKSCAT-1）、SCAT（ERS-1/2）、SEAWINDS（ADEOS-II）、ASCAT（METOP）等，获得了大量的宝贵的海面风场资料，很大程度上推进了海洋学、大气学、海洋预报、天气预报等诸多方面的研究

3、工作及业务工作。我国于上世纪90年代开始了天基微波遥感器的硬件研究和地面应用研究工作。此遥感器在国际上首创将三种主要的微波遥感器模式集于一体，即多模态微波遥感器，包括散射模（即微波散射计）、辐射模（即多频率双极化微波辐射计）和高度模（即微波高度计）。这一遥感器计划搭载于神舟四号无人飞船之上。图1Bragg散射原理示意图M3RS散射模工作频率为13.9GHz，两根天线，一根为水平极化、另一根为垂直极化，两根天线间隔90°，作圆锥扫描图1中：λ为雷达发射波的波长；λB为海洋表面波的波运动。长；θ为雷达波的入射角。2002年12月，M3RS随着神舟四号飞船发射升空，成

4、为由图1可见，两束雷达波的路程差Δ为：我国首台天基微波遥感器。2003年1月，包括散射模在内的Δ=2λBsinθ（1）M3RS各个模态开始工作，获得了我国首批天基微波遥感资当Δ=mλ(即雷达波长的整数倍)时，散射回波就同相位料。相加，此时有：mλ=2λBsinθ（2）当仅取一价量（m=1）时，得到2微波散射计测量海面风场的算法λ=2λBsinθ（3）这就是Bragg一阶共振条件。2．1微波散射计测量海面风场的原理海面粗糙度主要是由风应力造成的。由于海面风是随机1966年Moore教授首先提出了星载散射计测量海面风性质的海面波谱动力源，因而海面波谱分布也是随机的。

5、也场的概念。当时许多航空实验已确定了微波后向散射与海面就是说，对应一种风力分布，就形成一种与之对应的海面波收稿日期：2008-12-15谱分布，因而在表面波谱中总会找到一个相应的波长,使其符合上述共振散射条件。第1期孙强等：我国首台天基微波散射计测量海面风场的应用研究71还有一种叫双尺度模型，主要思想是Bragg共振模型并的影响，如何获得衰减值就是大气衰减算法的关键。未涉及到毛细波被海洋上大波浪调制的情况，如果假设海面大气衰减算法用数学形式表达为：由许多小斑片组成，则雷达后向散射的功率密度为每个斑片σ0COR=σoMEA+2τ（5）后向散射功率在大波斜率分布上的

6、平均值。这一模型既考虑式中：σ0COR是补偿后的后向散射系数；σoMEA为散射计所了短波长毛细波的布拉格共振散射，也考虑了长重力波的贡测得的后向散射系数；τ为单程大气衰减量。献，显然从理论上讲更为合理，但这一模型中要求的波数-斜在Ku波段，微波信号主要受到大气中的氧气、水汽和云率谱，以及斜率联合概率密度函数不易求得，因此它的应用水三种成分的影响，计算大气衰减就是要把这三部分引起的受到了限制。衰减———计算清楚即可。其中，氧气的成分是固定，其引起的从根本上说，散射计测风是通过海面波浪将风联系起来衰减量也是固定的，而水汽和云水含量变化较大，散射计本的，σ0只与海面波

7、浪有关，因此也有人试图通过海面波浪谱身无法获得这两个参数，一般情况下是使用同步或者准同步将σ0与风联系起来，这也应当是我们关注的问题之一。的微波辐射计来获得水汽和云水总量。我们假定在知道水汽就当前以及以后比较长的一段时间内，由于理论模型的和云水总量的情况下求解，只要τ求解出来，（5）式就可以复杂性及模型中某些参数测量上的困难性，因而还难以达到得到求解。Wentz(2000)[1]中详细叙述了在知道水汽和云水总实用阶段。当前各国实际采用的仍然是经验统计模型。由于量的前提下求解τ的算法，由于篇幅很长，本文就不再赘述风是一种矢量，因而被它吹起来的波浪也是有方向的。当雷

8、了。达波束以与波浪方向不