小入射角下海浪后向散射系數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. 北京遙測技術研究所，北京 100076)

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小入射角下海浪后向散射系數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. 北京遙測技術研究所，北京 100076)

基于北京遙測技術研究所機載波譜儀實測數據以及ECMWF提供的風場數據，分析了不同風速條件下小入射角海浪平均后向散射系數不對稱性與各向異性隨入射角的變化特性，并對導致這一現象的原因進行了初步分析。結果表明：小入射角下，海浪平均后向散射系數隨入射角增大呈現遞減趨勢并在18°時達到某一穩定值，之后基本維持不變；海浪后向散射系數不對稱性與各向異性均隨入射角增大呈現遞增趨勢，同樣在18°增大至某一穩定值，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，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海浪微細結構，研究海浪空間分布特性以及微細結構，對于理解海浪風成機制和內部動力過程，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出現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在對短波的調制，因而可以通過探測海面后向散射系數得到海面調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截斷效應小、散射模型簡單便于計算、不需要額外的風場數據輸入等優勢[4]，逐漸成為海浪探測的重要手段。

關于海浪后向散射系數特性的研究，Simon在2000年利用雙極化Ku波段機載散射計數據分析了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)數據，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)降雨雷達數據分析了小入射角下和的分布特性[2]。然而由于現有遙感手段工作模式限制，目前國內外學者對于海浪后向散射系數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提供了數據支持。

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

2 實驗數據

本文所選擇的數據為北京遙測技術研究所機載波譜儀掛飛實驗數據和ECMWF提供的風場數據。

本次實驗機載波譜儀是由北京遙測技術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，調頻連續波技術需要兩根天線用于發射接收信號，故系統設計較復雜，體積大，而脈沖技術可以克服以上缺點。另外，二者具體的雷達參數也有差異，北京遙測研究所機載波譜儀雷達參數如下表1所示。

表1 北京遙測研究所機載波譜儀雷達參數

北京遙測技術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、飛機姿態以及GPS時間等數據，現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據，對應實驗區域與浮標具體位置如圖1。

圖1 航飛試驗區域以及浮標位置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據，均可免費下載。其中本文用到的風場數據其空間分辨率為0.125°×0.125°，時間分辨率為6 h。

3 數據處理與結果分析

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，入射角選取4°～18°，得到某方位向與入射角關系如圖2所示。5°～12°海浪后向散射系數隨著入射角增大呈線性減小，15°以后基本穩定在某一定值。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方位向不對稱性和各向異性，本文統計了其中一圈數據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，并沒有出現明顯的雙峰現象，說明此時σ0在方位向的分布并沒有明顯的風向信息，這與儲小青等的結論基本一致[7]，與Tran和Chapron的結論不一致[8]，Tran和Chapron通過分析高度計Jason-1數據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方位向分布均出現明顯雙峰趨勢，其中出現雙峰位置方位向為順風、逆風向，出現波谷位置方位向為側風向，說明海浪后向散射系數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，這與散射計觀測結果以及儲小青等的結論一致，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不對稱性，而且當入射角小于12°時，σ0呈現負的不對稱性，大于12°時呈現正的不對稱性，這與Simon結論基本一致[5]。

為了更好地分析海浪后向散射系數特性，對σ0使用余弦函數展開：

(1)

3.1 平均后向散射系數

平均后向散射系數指海浪后向散射系數去除方位向特性后的結果，其表示海浪后向散射系數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值A0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基本不隨風速發生變化，風對海面更多的是對海浪后向散射系數方位向特性(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值不同，二者不成對稱分布的現象，是各向異性的一種特殊現象。其產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數值上表示為順風逆風出現差異，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A1越大。這與儲小青的結論并不一致[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據以及海況有關，降雨雷達數據僅僅覆蓋了海浪后向散射系數負不對稱性部分，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在不同方位向下其值不同的現象，其產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，在海浪后向散射系數數值上表示為不同方位向其值出現差異，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 結論與總結

本文利用機載波譜儀掛飛試驗數據，通過分析小入射角下海浪后向散射系數特性，得到以下結論：

(1)在低風速條件下，海浪平均后向散射系數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研究所機載波譜儀掛飛實驗數據，分析了小入射角下海浪后向散射系數特性，比較了不同風速下海浪平均后向散射系數、不對稱性和各向異性，由于實驗數據所限，本文并沒有針對中、高風速條件下海浪散射系數特性分析，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：感謝北京遙測技術研究所提供機載波譜儀數據集以及ECMWF提供的風場數據。

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Wen Shengchang. The Wave Theory and Calculation Principle[M]. Beijing：Science Press， 1984．

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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，Fan 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