小入射角下海浪后向散射系數(shù)不對稱性和各向異性分析驗證

王曉晨，萬劍華，張振華，孟俊敏，范陳清

(1. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術(shù)學院，山東 青島 266580；2. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3. 北京遙測技術(shù)研究所，北京 100076)

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小入射角下海浪后向散射系數(shù)不對稱性和各向異性分析驗證

王曉晨1，2，萬劍華1，張振華3，孟俊敏2*，范陳清2

(1. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術(shù)學院，山東 青島 266580；2. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3. 北京遙測技術(shù)研究所，北京 100076)

基于北京遙測技術(shù)研究所機載波譜儀實測數(shù)據(jù)以及ECMWF提供的風場數(shù)據(jù)，分析了不同風速條件下小入射角海浪平均后向散射系數(shù)不對稱性與各向異性隨入射角的變化特性，并對導致這一現(xiàn)象的原因進行了初步分析。結(jié)果表明：小入射角下，海浪平均后向散射系數(shù)隨入射角增大呈現(xiàn)遞減趨勢并在18°時達到某一穩(wěn)定值，之后基本維持不變；海浪后向散射系數(shù)不對稱性與各向異性均隨入射角增大呈現(xiàn)遞增趨勢，同樣在18°增大至某一穩(wěn)定值，之后基本維持不變；低風速條件下，海浪不對稱性和各向異性與風速有關(guān)，且風速越大不對稱性與各向異性越明顯。

機載波譜儀；海浪；小入射角；不對稱性；各向異性

1 引言

海浪作為一種復雜的風生重力波，按照成因可以分為重力波、毛細重力波和毛細波，其中重力波波長從幾十厘米到幾百米，主要是重力作用主導的大尺度波；毛細重力波波長約為幾厘米，是由表面張力和重力混合作用，毛細波波長為毫米級，主要是表面張力作用，二者都為小尺度波。重力波描述的是宏觀大尺度范圍內(nèi)海浪的分布特性，而毛細重力波和毛細波描述的是微觀小尺度空間內(nèi)海浪微細結(jié)構(gòu)，研究海浪空間分布特性以及微細結(jié)構(gòu)，對于理解海浪風成機制和內(nèi)部動力過程，提高人類對于海洋的認識具有重要意義。海浪生成機制主要基于共振和平行流不穩(wěn)定性理論，前者適用于海浪生成階段，后者主要適用于海浪發(fā)展階段[1—2]，由于波與波之間的相互作用，海浪中顯著波峰附近波面前側(cè)出現(xiàn)短重力波和毛細重力波，Gent與Talyor認為這些短波的分布增大了海表面的粗糙度改變了海面能量分布[3]，海浪長波的存在又表現(xiàn)在對短波的調(diào)制，因而可以通過探測海面后向散射系數(shù)得到海面調(diào)制長波以及短波的分布。目前，通過微波手段探測海浪主要包括合成孔徑雷達(SAR)、高度計、散射計、波譜儀等。其中SAR采用大入射角斜視工作方式，散射計采用大入射角360°掃描工作方式，波譜儀采用小入射角360°掃描工作方式，近年來由于波譜儀具有波數(shù)截斷效應小、散射模型簡單便于計算、不需要額外的風場數(shù)據(jù)輸入等優(yōu)勢[4]，逐漸成為海浪探測的重要手段。

關(guān)于海浪后向散射系數(shù)特性的研究，Simon在2000年利用雙極化Ku波段機載散射計數(shù)據(jù)分析了HH、VV極化下和隨入射角變化特性，并認為在中等以上入射角，Bragg散射會導致正的不對稱性，而小入射角下的幾何光學散射會導致負的不對稱性[5]。Mouche等在2006年利用STORM(Système de Télédétection pour l’ Observation Radar de la Mer)數(shù)據(jù)，通過引入波與波之間非線性交互作用，分析了大入射角下短重力波和毛細重力波對雷達信號各向異性的影響[6]。儲小青在2011年利用Ku波段TRMM(Tropical Rainfall Mapping Mission)降雨雷達數(shù)據(jù)分析了小入射角下和的分布特性[2]。然而由于現(xiàn)有遙感手段工作模式限制，目前國內(nèi)外學者對于海浪后向散射系數(shù)的研究多為大入射角下情況下，波譜儀作為唯一一種在小入射角下進行方位向360°掃描海浪的設備，為分析小入射角下海浪后向散射系數(shù)提供了數(shù)據(jù)支持。

本文利用機載波譜儀實測數(shù)據(jù)分析了小入射角下海浪后向散射系數(shù)不對稱性和各向異性。

2 實驗數(shù)據(jù)

本文所選擇的數(shù)據(jù)為北京遙測技術(shù)研究所機載波譜儀掛飛實驗數(shù)據(jù)和ECMWF提供的風場數(shù)據(jù)。

本次實驗機載波譜儀是由北京遙測技術(shù)研究所研制的一種脈沖雷達，其工作原理與STORM基本相同，均是在小角度下通過旋轉(zhuǎn)天線進行360°掃描。不同的是，北京遙測研究所機載波譜儀采用脈沖技術(shù)，調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)需要兩根天線用于發(fā)射接收信號，故系統(tǒng)設計較復雜，體積大，而脈沖技術(shù)可以克服以上缺點。另外，二者具體的雷達參數(shù)也有差異，北京遙測研究所機載波譜儀雷達參數(shù)如下表1所示。

表1 北京遙測研究所機載波譜儀雷達參數(shù)

北京遙測技術(shù)研究所波譜儀掛飛實驗于2014年6月在黃海海域進行，期間飛行了多個架次，分別獲取了海面回波功率、航向、天線方位角、飛機姿態(tài)以及GPS時間等數(shù)據(jù)，現(xiàn)場同步布放了波浪浮標進行驗證，浮標位置為36°37′18″N，122°43′40″E，本文選擇兩個架次實驗數(shù)據(jù)，對應實驗區(qū)域與浮標具體位置如圖1。

圖1 航飛試驗區(qū)域以及浮標位置Fig.1 Experimental flight and buoy location

歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)為全球用戶提供的各類再分析數(shù)據(jù)，均可免費下載。其中本文用到的風場數(shù)據(jù)其空間分辨率為0.125°×0.125°，時間分辨率為6 h。

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

圖2 回波功率隨入射角變化Fig.2 Echo power as functions of incidence angles

本文對機載波譜儀回波信號進行預處理得到海浪后向散射系數(shù)，入射角選取4°～18°，得到某方位向與入射角關(guān)系如圖2所示。5°～12°海浪后向散射系數(shù)隨著入射角增大呈線性減小，15°以后基本穩(wěn)定在某一定值。這是由于天線采用小角度入射，電磁波與海面作用可視為準鏡面散射，海面回波較強，然而隨著入射角的增大，布拉格散射的影響越來越顯著，電磁波與海面的作用逐漸被布拉格散射主導。

由于波譜儀采用小入射角下旋轉(zhuǎn)掃描的工作方式，因而可以觀測到0°～360°整個方位向的分布，故可以用來分析海浪后向散射系數(shù)方位向不對稱性和各向異性，本文統(tǒng)計了其中一圈數(shù)據(jù)4°～18°不同入射角下0°～360°方位向分布，如圖3所示。

圖3 不同入射角下方位向分布，a-h分別代表入射角4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°、18°Fig.3 As functions of azimuth in different incidence angles，a-h incidence angles equal 4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°、18°

由圖3a所示，入射角為4°時，并沒有出現(xiàn)明顯的雙峰現(xiàn)象，說明此時σ0在方位向的分布并沒有明顯的風向信息，這與儲小青等的結(jié)論基本一致[7]，與Tran和Chapron的結(jié)論不一致[8]，Tran和Chapron通過分析高度計Jason-1數(shù)據(jù)認為在天底點存在較明顯的方向信號。當入射角超過4°后，σ0方位向分布均出現(xiàn)明顯雙峰趨勢，其中出現(xiàn)雙峰位置方位向為順風、逆風向，出現(xiàn)波谷位置方位向為側(cè)風向，說明海浪后向散射系數(shù)σ0存在明顯的各向異性。由ECMWF提供的風向約為135°，實際風向約為110°，可見順逆風方向基本都是在波峰位置，這與散射計觀測結(jié)果以及儲小青等的結(jié)論一致，與Hesany等較不一致[9]，Hesany認為回波信號峰值并不總出現(xiàn)在順逆風風向，二者會有一定偏差，當入射角位于6°～12°之間時，如圖3b～d，此時順風向σ0大于逆風向σ0，當入射角為12°時，如圖3e，此時順風向和逆風向σ0基本相近，當入射角超過12°后，如圖3f～h，此時逆風向σ0大于順風向，這與散射計觀測結(jié)果基本一致[5]，兩個波峰峰值存在一定偏差，說明σ0存在明顯的海浪后向散射系數(shù)不對稱性，而且當入射角小于12°時，σ0呈現(xiàn)負的不對稱性，大于12°時呈現(xiàn)正的不對稱性，這與Simon結(jié)論基本一致[5]。

為了更好地分析海浪后向散射系數(shù)特性，對σ0使用余弦函數(shù)展開：

(1)

3.1 平均后向散射系數(shù)

平均后向散射系數(shù)指海浪后向散射系數(shù)去除方位向特性后的結(jié)果，其表示海浪后向散射系數(shù)在整個方位向的平均值。依照式(1)得到不同風速下平均后向散射系數(shù)A0隨入射角變化如圖4所示。

圖4 不同風速下后向散射系數(shù)A0隨入射角變化Fig.4 A0 as functions of incidence angles in different wind speed

由圖可見，海浪平均后向散射系數(shù)值A(chǔ)0受入射角影響較明顯，A0隨入射角增大逐漸減小且減小趨勢越來越不明顯，當入射角接近18°時，A0基本穩(wěn)定至某一定值，這主要是因為在近天底點下，準鏡面反射占主導地位，因而回波值最高，隨著入射角的增大，布拉格散射的作用越來越明顯，當入射角大于18°時，布拉格散射開始占主導地位，此時回波值基本為布拉格散射。而在3～5 m/s低風速條件下，A0基本不隨風速發(fā)生較大變化，這是因為風對海面的影響主要是改變其粗糙度，即改變海面小尺度毛細重力波和短重力波的分布，總而言之，風的作用僅僅是對海浪后向散射系數(shù)方位向特性的影響，因而去除了方位向特性的平均后向散射系數(shù)基本不隨風速發(fā)生變化，風對海面更多的是對海浪后向散射系數(shù)方位向特性(包括不對稱性和各向異性)的影響。

3.2 不對稱性

不對稱性指逆風方向與順風方向海浪后向散射系數(shù)值不同，二者不成對稱分布的現(xiàn)象，是各向異性的一種特殊現(xiàn)象。其產(chǎn)生的原因主要是由于風吹拂海面時順風向海面比較光滑，而逆風向海面比較粗糙，即逆風向海面小尺度毛細重力波和短重力波分布更多，在海浪后向散射系數(shù)數(shù)值上表示為順風逆風出現(xiàn)差異，即不對稱性。依照式(1)得到不同風速下不對稱性A1隨入射角變化如圖5所示。

圖5 不同風速下不對稱性A1隨入射角變化Fig.5 A1 as functions of incidence angles in different wind speed

由圖5可見，海浪不對稱性A1受風速和入射角影響，入射角在5°～12°之間時，海浪不對稱性A1基本不隨風速變化，當入射角超過12°之后，風速對A1的作用越來越明顯，其中風速越大，平均后向散射系數(shù)A1越大。這與儲小青的結(jié)論并不一致[2]，儲小青認為在低速風條件下，不對稱性A1隨入射角呈遞減趨勢且全為負值，這可能與降雨雷達數(shù)據(jù)以及海況有關(guān)，降雨雷達數(shù)據(jù)僅僅覆蓋了海浪后向散射系數(shù)負不對稱性部分，沒有對正不對稱性部分進行比較。對于某一風速，A1隨著入射角增大呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，且增長趨勢越來越明顯，不對稱性越明顯，這說明增大入射角可以更好地觀測小尺度海浪騎行毛細重力波和短重力波在海表面的分布。

3.3 各向異性

各向異性指海浪后向散射系數(shù)在不同方位向下其值不同的現(xiàn)象，其產(chǎn)生的原因主要是由于風吹拂海面，使得不同方位向下海面粗糙度出現(xiàn)變化，從而影響小尺度毛細重力波和短重力波概率密度分布函數(shù)，在海浪后向散射系數(shù)數(shù)值上表示為不同方位向其值出現(xiàn)差異，即各向異性。依照式(1)得到不同風速下各向異性A2隨入射角變化如圖6所示。

圖6 不同風速下各向異性A2隨入射角變化Fig.6 A2 as functions of incidence angles in different wind speed

由圖6可見，海浪各向異性A2同樣受風速和入射角影響，其中風速越大，后向散射系數(shù)A2越大。對于某一風速，當入射角在5°～12°之間時，A2隨著入射角增大呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，當入射角大于12°時，增長趨勢越來越不明顯，入射角增大至18°時，A2逐漸趨近一定值，此時各向異性最明顯。這說明增大入射角可以更好地觀測小尺度海浪騎行毛細重力波和短重力波在海表面的分布。

4 結(jié)論與總結(jié)

本文利用機載波譜儀掛飛試驗數(shù)據(jù)，通過分析小入射角下海浪后向散射系數(shù)特性，得到以下結(jié)論：

(1)在低風速條件下，海浪平均后向散射系數(shù)值基本不隨風速變化，對于某一風速條件下，散射值隨入射角增大逐漸減小直至某一定值，此后不再隨入射角變化。

(2)在低風速條件下，風速越大，海浪后向散射系數(shù)不對稱性越大，并且對于某一風速條件下，不對稱性隨著入射角增大呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，隨著入射角變大增長趨勢越來越不明顯，最后穩(wěn)定在一定值。

(3)在低風速條件下，風速越大，海浪后向散射系數(shù)各向異性越大，并且對于某一風速條件下，各向異性隨著入射角增大呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，且增長趨勢越來越明顯。

本文利用北京遙測技術(shù)研究所機載波譜儀掛飛實驗數(shù)據(jù)，分析了小入射角下海浪后向散射系數(shù)特性，比較了不同風速下海浪平均后向散射系數(shù)、不對稱性和各向異性，由于實驗數(shù)據(jù)所限，本文并沒有針對中、高風速條件下海浪散射系數(shù)特性分析，并且由于本次實驗波譜儀沒有進行定標，因而只分析了海浪后向散射系數(shù)特性的相對變化，下一步有望針對中、高風速條件下，分析海浪不對稱性以及各向異性，并分析海浪破碎對二者的影響。

致謝：感謝北京遙測技術(shù)研究所提供機載波譜儀數(shù)據(jù)集以及ECMWF提供的風場數(shù)據(jù)。

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Analysis and validation of wave backscatter coefficients asymmetry and anisotropy at low incidence angle

Wang Xiaochen1，2，Wan Jianhua1，Zhang Zhenhua3， Meng Junmin2，F(xiàn)an Chenqing2

(1.SchoolofGeosciences，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China; 2.TheFirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 3.ChinaAcademyofSpaceTechnology，Beijing100076，China)

Based on the China Academy of Space Technology airborne spectrometer test data and the ECMWF wind data， the average backscattering cross sections， asymmetry and anisotropy changed with the incidence angle under different wind speed conditions， and the reason of wave backscatter asymmetry and anisotropy were preliminary analyzed. The results showed that at low incidence angle， the average backscattering cross section decreased as the incidence angle increased and reached a stable value at 18°，after essentially unchanged；wave backscatter asymmetry and anisotropy increased as incidence angle increased， reached a stable value at 18° ， after essentially unchanged; under small winds speed conditions， waves asymmetry and anisotropy were related with wind speed， and the anisotropy and asymmetry were more obvious as wind speed increased．

airborne spectrometer; wave; low incidence angle; asymmetry; anisotropy

2015-11-06；

2016-03-27。

國家863計劃(SS2013AA091206)；國家自然科學基金青年基金(2013AA09A505，41406197)。

王曉晨(1990—)，男，山東省濰坊市人，主要從事波譜儀海浪反演研究。E-mail:15863014591@163.com

孟俊敏，男，研究員，主要從事海洋微波動力過程研究。E-mail:mengjm@fio.org.cn

P731.22

A

0253-4193(2016)11-0043-06

王曉晨，萬劍華，張振華，等. 小入射角下海浪后向散射系數(shù)不對稱性和各向異性分析驗證[J]. 海洋學報， 2016， 38(11): 43-48， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.004

Wang Xiaochen， Wan Jianhua， Zhang Zhenhua， et al. Analysis and validation of wave backscatter coefficients asymmetry and anisotropy at low incidence angle[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(11): 43-48， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.004