基于ENVISAT ASAR 數(shù)據(jù)的龍目海峽海表流場(chǎng)反演

李晴爍，范陳清，孟俊敏，張杰，柯長(zhǎng)青

（1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061）

海流是指海水較為穩(wěn)定的大尺度流動(dòng)，代表在準(zhǔn)定常狀態(tài)下海水不同規(guī)模的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其空間運(yùn)動(dòng)規(guī)模可達(dá)幾百千米甚至全球范圍，時(shí)間跨度可為月尺度、季節(jié)尺度甚至多年尺度[1-2]。海流決定了海洋中的熱能和物質(zhì)（如營(yíng)養(yǎng)鹽、污染物、泥沙等）在不同海區(qū)之間的輸送和分布，包含了海洋中各種物化過(guò)程，對(duì)海洋的氣候變化、海洋生物的生存和地形變遷都會(huì)造成直接影響。此外，海洋溢油、海上運(yùn)輸線(xiàn)路的優(yōu)化、海上搜救和海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等均需考慮流場(chǎng)的影響。因此，觀測(cè)海洋流場(chǎng)的變化并監(jiān)測(cè)分析其特性與規(guī)律，對(duì)海洋科學(xué)的研究具有重大意義[1,3]。

海表流場(chǎng)的觀測(cè)手段主要包括傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和衛(wèi)星遙感觀測(cè)，傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)主要包括浮標(biāo)觀測(cè)等，其觀測(cè)精度較高，但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的儀器安放危險(xiǎn)性高、觀測(cè)范圍有限、觀測(cè)成本高，具有較大的限制性[2]。衛(wèi)星遙感可以對(duì)海流進(jìn)行大范圍的觀測(cè)，利用該手段不僅可以獲得完整的二維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，還可以分析海面流場(chǎng)隨時(shí)間變化的情況。衛(wèi)星遙感主要有3 種觀測(cè)手段：①雷達(dá)高度計(jì)[4]。利用雷達(dá)高度計(jì)測(cè)得海面高度參數(shù)，結(jié)合地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系獲取流場(chǎng)的流速與流向，該方法具有觀測(cè)面積大、精度高和時(shí)間準(zhǔn)同步等優(yōu)點(diǎn)，但僅適用于測(cè)量大尺度的地轉(zhuǎn)流變化，且存在重復(fù)觀測(cè)周期較長(zhǎng)的問(wèn)題[4-6]。②高頻地波雷達(dá)?；诙嗥绽招?yīng)和布拉格散射理論對(duì)海表流場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該方法可連續(xù)獲取大面積海流且不受天氣狀況影響，但目前業(yè)務(wù)化應(yīng)用較少，且剖面流場(chǎng)隨深度的不均勻性和流場(chǎng)剖面的時(shí)變情況會(huì)引起徑向流速的測(cè)量誤差[7]。③合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）。它具備高分辨率、不受天氣狀況影響等優(yōu)勢(shì)[8]，其反演流場(chǎng)的方法主要有2 種：一種是順軌干涉測(cè)量方法（Along Track Interferometry,ATI），該方法利用影像的相位差獲取海表運(yùn)動(dòng)信息，空間分辨率高，但成像條件受限且數(shù)據(jù)成本較高，適用范圍小；另一種是本文所采用的多普勒頻移技術(shù)（Doppler Centroid Anomoly，DCA），該方法利用SAR 與地球相對(duì)運(yùn)動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)、海表面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的回波信號(hào)頻率偏移獲取海表流場(chǎng)，分辨率較高、應(yīng)用范圍較廣，適用于大范圍的海流探測(cè)[9-10]。

目前已有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者將多普勒頻移技術(shù)應(yīng)用于海表流場(chǎng)反演。國(guó)內(nèi)方面：李慧敏[2]利用ENVISAT ASAR IMS（Image Mode SLC）數(shù)據(jù)，采用符號(hào)多普勒法反演了長(zhǎng)江口近岸海域的海表徑向流速，反演結(jié)果與潮汐表的結(jié)果較為一致。楊小波[11]基于ENVISAT ASAR WSM（ Wide Swath Mode）數(shù)據(jù)，提出了方位向和距離向多普勒中心模型，采用多普勒頻移法反演長(zhǎng)江口及杭州灣近海港口海表面流速，反演結(jié)果與模式結(jié)果的差值為0.1 m/s。候富城[12]基于ENVISAT ASAR IMS 數(shù)據(jù)，采用多普勒頻移法反演海表流速并提取內(nèi)波，反演得到的內(nèi)波致海表面流的方向與內(nèi)波傳播方向在雷達(dá)距離向上的分量一致。宋小霞等[13]利用ENVISAT ASAR WSM 數(shù)據(jù)，采用多普勒頻移法反演厄加勒斯和黑海的海表流場(chǎng)，流場(chǎng)結(jié)果與AVISO 流場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)為0.84。國(guó)外方面：Johannessen等[14]基于ENVISAT ASAR WSM 數(shù)據(jù)，分析了從多普勒頻移中反演得到的海流速度組成成分，并由此反演了厄加勒斯海表流速，反演結(jié)果與高度計(jì)所測(cè)結(jié)果較為一致。Rouault等[15]利用ENVISAT ASAR WSM 數(shù)據(jù)，采用多普勒頻移法計(jì)算了厄加勒斯海表平均徑向流速，并以陸地覆蓋影像為參照校正頻移誤差，計(jì)算結(jié)果與AVISO 數(shù)據(jù)匹配度較高。Hasen等[16]利用ENVISAT ASAR WSM數(shù)據(jù)，基于多普勒頻移法對(duì)挪威海沿岸海域進(jìn)行了流場(chǎng)反演研究，并校正了多普勒中心計(jì)算中存在的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的誤差，反演得到的流場(chǎng)結(jié)果在10 m 分辨率下誤差小于5 cm/s。這些研究結(jié)果表明，SAR 多普勒技術(shù)可有效用于海表流場(chǎng)探測(cè)。

龍目海峽是印尼貫穿流的重要出口通道之一，系統(tǒng)分析其海流流速和季節(jié)變化有助于分析印尼貫穿流在氣候和海洋中的作用，前人研究多基于數(shù)值模擬分析班達(dá)海和弗拉瑞斯海[17-19]，針對(duì)龍目海峽流速和流向的研究較少。近年來(lái)，SAR 多普勒技術(shù)的出現(xiàn)為系統(tǒng)分析龍目海峽海流變化提供了新的手段[1-3,20]。本文基于2003—2004 年ENVISAT ASAR WSM 數(shù)據(jù)和ENVISAT ASAR IMS 數(shù)據(jù)，利用多普勒技術(shù)反演了龍目海峽海表流場(chǎng)，并分析了龍目海峽海表流場(chǎng)的變化規(guī)律，以期為研究龍目海峽流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化提供有力的技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域

龍目海峽（114°24′～116°42′E，6°30′～10°00′S）位于印度尼西亞群島的巴厘島和龍目島之間，是地處印度洋和太平洋之間的海上交通要沖，其南北全長(zhǎng)80.5 km，水深呈北深南淺分布，最大水深可達(dá)1 306 m，受強(qiáng)烈海流的侵蝕，近些年來(lái)水深仍在增加。龍目海峽是世界級(jí)的海運(yùn)通道，同時(shí)也是印尼貫穿流的重要出口通道之一，局地潮致與海氣相互作用混合使得該海域混合效應(yīng)增強(qiáng)，其不僅對(duì)海上輸運(yùn)和交通意義重大，而且對(duì)軍事活動(dòng)也具有重要的影響[19]。

研究區(qū)域?yàn)辇埬亢{部分海域，覆蓋范圍為（114°48′～116°00′E，8°30′～9°48′S）（圖1 紅色框區(qū)域），為了便于分析對(duì)比多普勒頻率的差異，本文選取影像包含陸地區(qū)域。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 ASAR 數(shù)據(jù)

本文采用歐洲航天局（European Space Agency,ESA）ENVISAT 衛(wèi)星搭載的ASAR WSM[21]和IMS[22]產(chǎn)品作為數(shù)據(jù)源。ENVISAT 衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)間為2002—2012 年，軌道高度為800 km，軌道傾角為98°，工作波段為C 波段，重訪(fǎng)周期為35 d[21-23]。其中，WSM 數(shù)據(jù)影像幅寬約為420 km，最小時(shí)間間隔為3 d，空間分辨率為150 m，有利于觀測(cè)大范圍海表特征[13,21-23]。IMS數(shù)據(jù)含有相位信息和斜距信息，影像幅寬為100 km、空間分辨率為4 m，有利于小尺度海洋現(xiàn)象觀測(cè)[2,12-13,23]。選 取2003 年5 月 至10 月 的ENVISAT ASAR WSM 產(chǎn)品和2003 年11 月至2004 年6 月的 ENVISAT ASAR IMS 產(chǎn)品對(duì)龍目 海峽研究區(qū)域海流進(jìn)行反演，數(shù)據(jù)有關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 ENVISAT ASAR WSM 和IMS 圖像參數(shù)Table 1 ENVISAT ASAR WSM and IMS image parameters

1.2.2 AVISO 數(shù)據(jù)

AVISO 數(shù)據(jù)因其覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)質(zhì)量較高和易于獲取等優(yōu)勢(shì)，在驗(yàn)證ASAR 流場(chǎng)精度方面發(fā)揮了重要的作用[14,16]，本文選取AVISO 的GLORYS12V1 版本流場(chǎng)產(chǎn)品[24]作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)。GLORYS12V1 在歐洲CMEMS（Copernicus Marine Service）框架下構(gòu)建，由ERA-Interim（ECMWF Re-Analysis Interim）和 ERA5 再分析數(shù)據(jù)融合所得，主要包括流場(chǎng)、溫度、鹽度、海平面、混合層深度和冰參數(shù)的日平均和月平均數(shù)據(jù)。時(shí)間間隔為1 d，空間最小分辨率為8.3 km，產(chǎn)品預(yù)測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)度為1993 年1 月1 日至2019 年12 月31 日。GLORYS12V1 的流場(chǎng)數(shù)據(jù)與潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)較為一致，大部分流場(chǎng)數(shù)據(jù)與潛標(biāo)數(shù)據(jù)的均方根誤差小于0.25 m/s；在西太平洋吻合度最高，與潛標(biāo)數(shù)據(jù)的均方根誤差小于0.20 m/s；在赤道潛流處吻合度最低，與潛標(biāo)數(shù)據(jù)的均方根誤差小于0.30 m/s；隨著深度的增加，GLORYS12V1 的流場(chǎng)數(shù)據(jù)與潛標(biāo)數(shù)據(jù)的相關(guān)性逐漸減小[25]。

2 方法

2.1 多普勒質(zhì)心異常計(jì)算

多普勒質(zhì)心的計(jì)算是合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像的重要部分。WSM 數(shù)據(jù)的多普勒質(zhì)心可由其多普勒網(wǎng)格數(shù)據(jù)插值得到（圖2），由WSM 數(shù)據(jù)插值得到的多普勒中心頻率fDc在方位向分辨率約為8 km，距離向分辨率最高約為9 km，最低約為 3.5 km[11,26]。為方便計(jì)算，后文WSM 數(shù)據(jù)的多普勒質(zhì)心和多普勒質(zhì)心異常均以類(lèi)似圖2a 的時(shí)間多普勒網(wǎng)格坐標(biāo)成像。

多普勒中心頻率fDc包含由海表運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒質(zhì)心異常fDca和由衛(wèi)星與地球相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的衛(wèi)星多普勒頻移fSat，為獲得fDca需去除fSat影響[27]。根據(jù)星載SAR 多普勒頻率理論模型，WSM 產(chǎn)品的成像時(shí)刻基帶中心多普勒頻率fDc分別在距離向和方位向具有近似線(xiàn)性變化的特點(diǎn)[11,13,28-30]。沿距離向選取截面A 和B，沿方位向選取截面C 和D，其中截面A 和D 含有陸地區(qū)域，截面B 和C 不包含陸地區(qū)域（圖2a）。由圖2b至圖2e 可見(jiàn)，fDc在距離向和方位向均呈線(xiàn)性變化，截面A、B 與距離向時(shí)間的擬合優(yōu)度分別為0.94、0.95，截面C、D 與方位向時(shí)間的擬合優(yōu)度分別為 0.96、 0.91。擬合優(yōu)度R2是回歸直線(xiàn)對(duì)觀測(cè)值的擬合程度，R2值越接近1 說(shuō)明回歸直線(xiàn)對(duì)觀測(cè)值擬合程度越好，也說(shuō)明多普勒質(zhì)心在距離向和方位向上呈線(xiàn)性變化，因此分別在2 個(gè)方向上采用均值濾波和線(xiàn)性擬合的方法去除衛(wèi)星多普勒頻移fSat影響是可取的，且該方法也適用于含有陸地的WSM 影像[13]。

圖2 2003 年6 月29 日WSM 數(shù)據(jù)的多普勒中心網(wǎng)格及網(wǎng)格截面在距離向、方位向的變化趨勢(shì)Fig.2 Doppler centroid grid and the trend of the grid section in range and azimuth directions of WSM data on June 29,2003

頻譜能量均衡法通過(guò)分析回波的多普勒譜計(jì)算fDc。由于多普勒譜與能量譜的特性相似，根據(jù)能量均衡理論可將頻率譜劃分為兩部分，若這兩部分的能量均衡對(duì)稱(chēng)[31]，則中心均衡點(diǎn)的頻率即為多普勒質(zhì)心頻率?；谝陨侠碚?，采用頻譜能量均衡法計(jì)算IMS 產(chǎn)品的fDc，具體處理過(guò)程為：首先，對(duì)影像的局部窗口進(jìn)行FFT 變換，同時(shí)考慮多普勒中心頻率的精確度與其分辨率大小，將窗口大小設(shè)置為512×128。然后，將變換結(jié)果與 [?fs/2，fs/2] 對(duì)應(yīng)，采用正弦曲線(xiàn)擬合方位向上的多普勒譜能量，則該窗口的多普勒中心頻率即為擬合得到的曲線(xiàn)中心點(diǎn)頻率。整景影像的多普勒中心頻率fDc可通過(guò)滑動(dòng)窗口得到，能分辨的最小單元為100 m[12]。采用Tie-point 網(wǎng)格數(shù)據(jù)中的斜距時(shí)間和多普勒系數(shù)計(jì)算IMS 產(chǎn)品的衛(wèi)星頻移[12]，計(jì)算公式為：

式中：fcoef為多普勒系數(shù)；t為斜距時(shí)間；t0為標(biāo)準(zhǔn)斜距時(shí)間。

在多普勒質(zhì)心頻移fDc中減去衛(wèi)星多普勒頻移fSat影響后可計(jì)算得到fDca，即：

選取2003 年6 月29 日 WSM（圖3）數(shù)據(jù)和2004 年4 月7 日 IMS（圖4）數(shù)據(jù)，分別針對(duì)這2 組數(shù)據(jù)計(jì)算多普勒質(zhì)心，結(jié)果顯示：在WSM 多普勒質(zhì)心頻率影像中（圖3b），方位向多普勒網(wǎng)格13 處頻移誤差較大，這可能是由海洋和陸地的電磁波散射特性差異較大所致[13]。fDc圖像在朝向衛(wèi)星方向上海洋和陸地相交處含有明顯的透視收縮，而在背離衛(wèi)星方向上只有在海洋和陸地相交的區(qū)域才有陰影，由于圖像透視收縮及陰影的范圍僅出現(xiàn)在海陸交界處，其對(duì)反演海流的影響可以忽略[11，13]，本文在海洋和陸地相交處剔除掉由透視收縮和陰影產(chǎn)生的影像異常值，最終得到2003 年6 月29 日 WSM 整景影像的多普勒頻率（?50～150 Hz，圖3d）。2004 年4 月7 日 IMS 整景影像的多普勒頻率為?30～15 Hz，在IMS 的多普勒質(zhì)心異常圖像（圖4b）上可觀察到明顯的海浪波紋。對(duì)比WSM 數(shù)據(jù)fDca（圖3d）和IMS 數(shù)據(jù)fDca（圖4b）發(fā)現(xiàn)，相較WSM 數(shù)據(jù)，IMS數(shù)據(jù)的多普勒質(zhì)心異常圖像分辨率更高，更適合分析小范圍的海表面運(yùn)動(dòng)。

圖3 2003 年6 月29 日 WSM 影像數(shù)據(jù)、fDc、剔除異常值后的fDc和fDca 結(jié)果Fig.3 WSM image data,results of fDc,fDc after eliminating outliers and fDca on June 29,2003

圖4 2004 年4 月7 日 IMS 數(shù)據(jù)fDc與fDca 結(jié)果Fig.4 Results of Doppler Centroid fDc and Doppler Centroid Anomaly fDca of IMS data on April 7,2004

2.2 海表面信息反演

多普勒質(zhì)心異常fDca中包含了布拉格波[11-13]、風(fēng)場(chǎng)[16,32-34]和海表面流速等的貢獻(xiàn)，所以fDca的計(jì)算公式為：

式中：fB為布拉格散射導(dǎo)致的多普勒頻移；fw為風(fēng)場(chǎng)影響導(dǎo)致的多普勒頻移；fs為海表流場(chǎng)引起的多普勒頻移。根據(jù)式(3)去除布拉格波和風(fēng)場(chǎng)的多普勒頻移影響后，即可獲得海表流場(chǎng)的多普勒信息。

通常將海面與雷達(dá)入射電磁波產(chǎn)生共振的波浪定義為布拉格波，其導(dǎo)致的多普勒頻移fB通常表示為[33]：

式中：g為重力加速度；Kr為雷達(dá)入射電磁波波數(shù)，對(duì)于ASAR 數(shù)據(jù)Kr取112 m/s；θi為入射角。布拉格波導(dǎo)致的多普勒頻移的正負(fù)是由海流的傳播方向與雷達(dá)視向方向相同或相反決定的[32]。

多普勒質(zhì)心異常中去除布拉格波產(chǎn)生的頻移后，即可計(jì)算出雷達(dá)視向的海表運(yùn)動(dòng)速度vslc，即：

為了去除海面風(fēng)場(chǎng)引起的多普勒頻移，本文利用ASAR 數(shù)據(jù)反演海面風(fēng)場(chǎng)信息。通常認(rèn)為，海面上方10 m高度風(fēng)速與雷達(dá)徑向風(fēng)速vw間有如下關(guān)系[27]：

式中：γ是與風(fēng)速大小有關(guān)的系數(shù)，在真實(shí)海洋中，γ通常取0.03[11-12]；U10為雷達(dá)徑向方向上海面10 m 高度的風(fēng)速。

本文采用CMOD 5（C-band models 5）模型反演海面風(fēng)場(chǎng)，并結(jié)合ECMWF[35]風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)向信息解決反演模型的180°模糊問(wèn)題[12,34]。在實(shí)際SAR 圖像中，分析窗口的大小對(duì)風(fēng)向反演結(jié)果具有重要意義：窗口大小為20 km的反演結(jié)果可以體現(xiàn)出風(fēng)向局部細(xì)節(jié)，有利于小尺度風(fēng)場(chǎng)反演；窗口大小為40 km 的風(fēng)向反演結(jié)果具有相對(duì)綜合性，在大尺度上可體現(xiàn)出風(fēng)向的一致性，在小尺度上也能較好地體現(xiàn)出風(fēng)場(chǎng)的局部細(xì)節(jié)，有利于中尺度風(fēng)場(chǎng)反演；窗口大小為60 km 的反演結(jié)果可充分展示大范圍風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，有利于大尺度風(fēng)場(chǎng)反演[11-12]。

對(duì)于風(fēng)速數(shù)據(jù)的反演，本文將VV 極化的歸一化雷達(dá)散射截面（Normalized Radar Cross Section,NRCS）數(shù)據(jù)應(yīng)用到CMOD 5 模型中，但此模型不適用于HH 極化數(shù)據(jù)。所以，需要將 HH 極化的 NRCS 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的VV 極化的NRCS[34]，即：

多普勒質(zhì)心異常中去除風(fēng)場(chǎng)引起的多普勒頻移后，即可計(jì)算出在雷達(dá)視向海表流速的真實(shí)值vs（風(fēng)速的正負(fù)由風(fēng)向與雷達(dá)視向方向相同或相反決定）[32]：

式中：vslc為雷達(dá)視向的海表運(yùn)動(dòng)速度；vw為雷達(dá)徑向風(fēng)速。

為進(jìn)一步表示雷達(dá)徑向的海表流場(chǎng)速度，根據(jù)雷達(dá)視線(xiàn)方向海流運(yùn)動(dòng)速度與海表運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移之間的線(xiàn)性關(guān)系，可計(jì)算出垂直于衛(wèi)星飛行方向的海表徑向流速vd[12-13]：

綜合海表面運(yùn)動(dòng)信息，利用SAR 多普勒方法可以反演得到沿雷達(dá)視向的海表徑向流速。

3 結(jié)果與討論

將WSM 寬幅數(shù)據(jù)裁剪至研究區(qū)，利用式（3）～式（9）計(jì)算出徑向海表流速，4 個(gè)季節(jié)各選取1 景影像反演徑向速度（圖5），4 景影像均為降軌數(shù)據(jù)，朝向雷達(dá)徑向的流速用正值表示，背離雷達(dá)徑向的流速用負(fù)值表示[13,34]。為了更好地驗(yàn)證流向精度，將AVISO 流場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為徑向流場(chǎng)（圖5 中箭頭）。結(jié)果表明，反演得到的徑向流場(chǎng)與AVISO 徑向流場(chǎng)較為一致，其中在近岸海域，IMS 反演的流向與AVISO 流向較WSM 反演的流向匹配度更高，這是因?yàn)镮MS 影像分辨率更高、幅寬更小，有利于監(jiān)測(cè)和分析小范圍的海面流場(chǎng)特征，而WSM 為寬幅影像，更有利于觀測(cè)較大范圍的海面流場(chǎng)特征。

圖5 ASAR 數(shù)據(jù)反演流速（填色區(qū)）與AVISO 流場(chǎng)（箭頭）分布Fig.5 The retrieved sea surface velocities field from ASAR (color shading) and AVISO (arrows)

為進(jìn)一步驗(yàn)證反演的流速精度，將反演得到的流速網(wǎng)格分辨率重采樣至8.3 km，使其與AVISO 流場(chǎng)分辨率一致，將反演的整幅影像流場(chǎng)與徑向AVISO 流場(chǎng)求差值，對(duì)流速和流向的誤差分布進(jìn)行分析（圖6）。其中WSM 數(shù)據(jù)反演流速主要分布于?0.5～1.0 m/s，與AVISO 流速誤差主要集中于?0.35～0.45 m/s，均方根誤差為0.28 m/s，相關(guān)系數(shù)為0.95。IMS 數(shù)據(jù)反演流速主要分布于?0.2～0.4 m/s，與AVISO 流速誤差主要分布于?0.15～0.55 m/s，均方根誤差為0.37 m/s，相關(guān)系數(shù)為0.73。由圖6a 和圖6c 可知，與AVISO 流場(chǎng)相比，ASAR 反演流速整體更大，這也符合前人研究所述[2,13]。可見(jiàn)，本文采用的流場(chǎng)反演方法可有效提取海表面信息，且反演精度較高，適用于近岸海域。

圖6 2003 年6 月29 日WSM 數(shù)據(jù)和2004 年4 月7 日IMS 數(shù)據(jù)反演流速與AVISO 流速對(duì)比以及二者誤差對(duì)比Fig.6 Comparison of the sea surface velocity retrieved from WSM (June 29,2003) and IMS (April 7,2004) with AVISO sea surface velocity and their errors contraction and the error comparison

對(duì)WSM 和IMS 數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列變化分析，結(jié)果如表2 所示?？傮w來(lái)看，龍目海峽流速較大，最大值為?2.56 m/s（負(fù)號(hào)表示海流的傳播方向與雷達(dá)視向相反），流速變化明顯。結(jié)合圖5 分析可知：龍目海峽在2003 年6 月29 日流速較大，主要集中在（115°24′～115°48′E，8°30′～9°12′S）附近的海域，其他海域流速較?。?0.50～0.75 m/s），主要流向?yàn)槲髂舷?；?003 年10 月15 日流速較小（?0.79～0.92 m/s），主要流向?yàn)闁|南向；在2003 年12 月24 日整體流速較大，出現(xiàn)北向逆流，主要流向轉(zhuǎn)為東北向，幾乎與原來(lái)相反；在2004 年4 月7 日海流轉(zhuǎn)回南向流。總體來(lái)說(shuō)，研究區(qū)范圍內(nèi)，2003 年5 月至9 月流速較大，10 月流速減小，11 月至12 月流速逐月增加，在2004 年3 月流速達(dá)到最低值（?0.58 m/s），而后在2004 年4 月至5 月流速逐月增大；在南半球夏季（12 月）和秋季（5 月）出現(xiàn)北向逆流，其余月份皆為南向流。

表2 海表徑向流速反演結(jié)果Table 2 The retrieved results of radial sea surface velocity

4 結(jié)論

基于2003 年至2004 年ENVISAT ASAR WSM 數(shù)據(jù)和ENVISAT ASAR IMS 數(shù)據(jù)，利用多普勒技術(shù)反演了龍目海峽海表流場(chǎng)，并分析了龍目海峽海表流場(chǎng)的變化，得出以下主要結(jié)果。

1）基于2003 年5 月至10 月WSM 數(shù)據(jù)和2003 年11 月至2004 年5 月IMS 數(shù)據(jù)，利用多普勒質(zhì)心偏移法獲取了海面運(yùn)動(dòng)引起的多普勒質(zhì)心異常，通過(guò)去除風(fēng)和Bragg 波引起的多普勒頻移，最終獲得龍目海峽海表徑向流速。結(jié)果表明：本文的流場(chǎng)反演方法可準(zhǔn)確提取海面流速信息，海表面流速反演結(jié)果與AVISO 流場(chǎng)匹配度較好，其中WSM 數(shù)據(jù)反演的流速與AVISO 流場(chǎng)均方根誤差為0.28 m/s，IMS 數(shù)據(jù)反演的流速與AVISO 流速均方根誤差為0.37 m/s。

2）基于反演的徑向海表流速的反演結(jié)果分析龍目海峽2003 年至2004 年流速和流向變化，結(jié)果表明龍目海峽流速較大，最大值為?2.56 m/s（負(fù)號(hào)表示流向與雷達(dá)視向相反），流場(chǎng)變化明顯，2003 年5 月至9 月流速較大（?2.56～2.51 m/s），10 月流速減小到0.72 m/s，11 月至12 月流速逐月增加（?1.64～1.25 m/s），在2004 年3 月流速達(dá)到最低值（?0.58 m/s），而后在2004 年4 月至5 月流速逐月增大（?1.46～1.72 m/s）；在南半球夏季（12 月）和秋季（5 月）出現(xiàn)北向逆流，部分海流流向巴厘海，其余皆為南向流，海流流向印度洋。

3）本文對(duì)WSM 和IMS 數(shù)據(jù)分別采用了不同的方法估算多普勒質(zhì)心異常：WSM 數(shù)據(jù)的多普勒質(zhì)心由網(wǎng)格化多普勒中心估計(jì)所得，衛(wèi)星頻移影響采用均值濾波和線(xiàn)性擬合的方法去除；IMS 數(shù)據(jù)的多普勒質(zhì)心由頻譜擬合法結(jié)合能量均衡理論計(jì)算所得，衛(wèi)星頻移影響采用斜距時(shí)間和多普勒系數(shù)去除。結(jié)果表明：IMS能反演出海浪波紋信息，在近岸海域IMS 數(shù)據(jù)反演得到的流向結(jié)果與AVISO 流場(chǎng)的匹配度更高，而從整體上來(lái)看，WSM 數(shù)據(jù)反演得到的流速結(jié)果與AVISO 流場(chǎng)的匹配度更高，WSM 數(shù)據(jù)反演流速與AVISO 流速均方根誤差為0.28 m/s，相關(guān)系數(shù)為0.95，IMS 數(shù)據(jù)反演流速與AVISO 均方根誤差為0.37 m/s，相關(guān)系數(shù)為0.73。綜上，IMS 影像幅寬較小、分辨率較高，更適合分析和監(jiān)測(cè)小范圍的海洋區(qū)域，而WSM 數(shù)據(jù)為寬刈幅數(shù)據(jù)，更適合觀測(cè)較大范圍的海表面流場(chǎng)特征。