星載SAR遙感圖像反演海洋大氣邊界層高度

范開國，黃韋艮，賀明霞，傅 斌，施英妮

1 中國人民解放軍91039部隊，北京 102401

2 國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，杭州 310012

3 中國海洋大學(xué)海洋遙感研究所，青島 266100

4 中國人民解放軍61741部隊，北京 100094

星載SAR遙感圖像反演海洋大氣邊界層高度

范開國1，2，黃韋艮1＊，賀明霞3，傅 斌2，施英妮4

1 中國人民解放軍91039部隊，北京 102401

2 國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，杭州 310012

3 中國海洋大學(xué)海洋遙感研究所，青島 266100

4 中國人民解放軍61741部隊，北京 100094

本研究將邊界層相似理論與對流理論應(yīng)用到具有海洋大氣邊界層（Marine Atmospheric Boundary Layer，MABL）對流特征的星載合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）遙感圖像，探討了星載SAR遙感圖像描述海氣應(yīng)力作用下水平擾動尺度變化的潛在可能性.針對具有三維對流渦旋Cell和二維水平滾軸渦旋Roll特征的星載SAR遙感圖像，反演了中國海海域MABL高度，并與同步實驗獲取的MABL高度結(jié)果進行對比.結(jié)果表明，利用具有對流特征的星載SAR遙感圖像反演MABL高度是可行的，展示了以高分辨率、大面積觀測為特點的星載SAR遙感圖像探測MABL的廣闊前景.

SAR，海洋大氣邊界層，相似理論，對流理論

1 引 言

SAR遙感圖像的海面后向散射強度的變化很大程度上依賴于海面波譜中與SAR工作波長相近的部分.海洋和大氣現(xiàn)象對海面波譜的影響，在一定條件下可以成像于海面SAR遙感圖像.通常觀測的大氣現(xiàn)象包括：邊界層對流、對流風(fēng)暴以及由海岸地形或海氣溫差等引起的各種大量的中尺度環(huán)流.

千米尺度的海洋大氣邊界層對流是一種常見的大氣現(xiàn)象，是在海洋表面虛位溫高于底層大氣虛位溫的位置，由擾動動能的浮力效應(yīng)形成.由于空氣的垂直運動，對流渦旋中高動量的下降氣體向下傳輸?shù)浇Ｃ?，?dǎo)致近海面層的垂直風(fēng)切變增加，以陣風(fēng)的形式疊加在平均風(fēng)場上，從而使下降氣流區(qū)域的海面粗糙度增大，在SAR遙感圖像中形成了高后向散射強度區(qū).反之，對流渦旋的上升區(qū)域?qū)?yīng)于SAR遙感圖像中的低后向散射強度區(qū).高分辨率的星載SAR遙感圖像足可以描述這種由浮力效應(yīng)導(dǎo)致的水平變化的擾動尺度.

大氣邊界層對流的結(jié)果主要有兩種形式，三維對流渦旋Cell和二維水平滾軸渦旋Roll.理論和觀測結(jié)果都表明，三維對流渦旋Cell通常出現(xiàn)在低風(fēng)速條件下，二維水平滾軸渦旋Roll在強風(fēng)條件下更加普遍.Deardorff［1］針對觀測結(jié)果給出了理論解釋，認為風(fēng)速和海氣溫差對對流現(xiàn)象出現(xiàn)的形式起決定作用，在給定風(fēng)速條件下，海氣溫差越大，就越可能形成三維對流渦旋Cell.

兩種邊界層對流現(xiàn)象都是基于高分辨率SAR氣象學(xué)的重要研究目標.Sikora等［2－4］論述了三維對流渦旋Cell在SAR遙感圖像上的斑點狀后向散射特征，Mourad［5］對二維水平滾軸渦旋Roll的線性特征SAR遙感圖像給出了解釋.Young等［6－7］利用具有三維對流渦旋Cell特征的SAR遙感圖像反演得到了MABL高度及其浮力通量等其他擾動統(tǒng)計參數(shù)，Alpers等［8－9］利用具有二維水平滾軸渦旋Roll特征的SAR圖像反演了MABL高度.由于氣溶膠粒子主要來源于地球表面，故MABL中富集氣溶膠.Lidar可以探測到MABL氣溶膠后向散射信號和梯度變化，得到高分辨率的MABL剖面結(jié)構(gòu)特征，利用二次微分法處理探測的氣溶膠后向散射信號，可以獲取MABL高度.

本文利用具有三維對流渦旋Cell和處于熱不穩(wěn)定狀態(tài)的二維水平滾軸渦旋Roll對流特征現(xiàn)象的星載SAR遙感圖像，分別獲取了三維對流渦旋Cell的特征長度和二維水平滾軸渦旋Roll的平均水平波長，根據(jù)邊界層相似理論與對流理論得到了MABL高度，首次對二者反演的MABL高度進行對比，同時利用探空資料數(shù)據(jù)、Lidar實驗獲取的MABL高度進行驗證分析.其結(jié)果顯示二者符合較好，為后繼以SAR、探空資料數(shù)據(jù)與Lidar為基礎(chǔ)的集成技術(shù)探測MABL特征提供了參考.

2 SAR遙感圖像反演MABL高度方法

利用三維對流渦旋Cell的空間尺度和密度特征得到垂直于風(fēng)向方向的平均一維水平能量譜，通過譜分析法［10］確定小尺度峰值波長，即三維對流渦旋Cell的特征長度λCell，根據(jù)邊界層相似理論提供的λCell與邊界層高度Zi1.5倍定量關(guān)系得到MABL高度［11］.

二維水平滾軸渦旋Roll通常用來求解風(fēng)向，也利用二維水平滾軸渦旋Roll的空間尺度特性，得到垂直于風(fēng)向方向的二維水平滾軸渦旋Roll平均水平波長λRoll，在熱不穩(wěn)定MABL情況下，根據(jù)線性Rayleigh－Benars對流理論，利用2.8倍定量關(guān)系［11］，得到MABL高度.圖1為SAR遙感圖像反演MABL高度的流程.

圖1 星載SAR遙感圖像反演MABL高度流程Fig.1 Flowchart of the MABL depth retrieval from SAR image

基于星載SAR遙感圖像反演MABL高度流程，首先對SAR遙感圖像進行Lee濾波以消除其固有的斑點噪聲.由于海面平均風(fēng)場的存在，SAR遙感圖像上呈現(xiàn)出具有線性排列的斑點狀后向散射特征（三維對流渦旋Cell）或線性的風(fēng)條紋紋理特征（二維水平滾軸渦旋Roll），因此可根據(jù)SAR遙感圖像低波數(shù)能量譜獲取海面風(fēng)向，但此方法獲取的海面風(fēng)向具有180°模糊，該海面風(fēng)向的不確定性，可通過SAR遙感圖像本身信息或其他風(fēng)場提供的信息加以消除［12］.

利用具有三維對流渦旋Cell特征的SAR遙感圖像反演MABL高度時，需要對SAR遙感圖像進行輻射定標，得到雷達海面后向散射強度，以消除SAR側(cè)視所引起的能量值分布不均勻的現(xiàn)象.同時將遙感圖像分辨率降為50m，消除高頻信號對小尺度峰值波長信息的影響.

此外，SAR遙感圖像中不僅包含了大氣對流引起的大氣現(xiàn)象，也包含了許多大尺度、中尺度等海洋現(xiàn)象，可采用尺度分離的方式將三維對流渦旋Cell現(xiàn)象之外的特征濾除.三維對流渦旋Cell使得海表面風(fēng)場模式發(fā)生變化，導(dǎo)致海面粗糙度發(fā)生相應(yīng)變化，從而SAR遙感圖像很大程度上體現(xiàn)海面風(fēng)場模式的變化特征，因此可利用譜相似性原理分析風(fēng)速譜得到圖像特征尺度分離的依據(jù)［10］.在體現(xiàn)大氣現(xiàn)象的伽馬中尺度和小尺度之間的譜隙對應(yīng)的尺度大約是5Zi［13］.設(shè)600m為實驗海域MABL的平均高度，則600m與3000m為尺度分離時的特征尺度，從而確保將大尺度和中尺度對一維水平能量譜的影響去除而不影響小尺度峰值波長信息.

最后采用雙線形插值的方法將尺度分離后的SAR遙感圖像旋轉(zhuǎn)到沿海面風(fēng)向方向的自然坐標系，并在（k×log（S（k））、log（k））雙對數(shù)坐標系下，得到垂直于風(fēng)向方向的平均一維水平能量譜，確定三維對流渦旋Cell的特征長度，根據(jù)邊界層相似理論得到MABL高度.

對垂直于風(fēng)向方向具有二維水平滾軸渦旋Roll特征的SAR遙感圖像要進行抽樣平均，降低遙感圖像分辨率，消除高頻信息的影響，更好的體現(xiàn)條紋特征.最后滑動平均濾波后的平均一維水平灰度值確定平均水平波長.在熱不穩(wěn)定MABL情況下，根據(jù)線性Rayleigh－Benars對流理論得到MABL高度.

3 實例研究與驗證分析

3.1 實例一

圖2a是青島近海分辨率為25m的ENVISAT ASAR遙感圖像，成像時間為2005－01－14 21∶41（BJT）.從圖中截取具有三維對流渦旋Cell特征的遙感子圖像作為實例研究的數(shù)據(jù)（圖2b所示），可見截取的SAR遙感子圖像具有線性排列斑點狀的海面后向散射特征.

分析截取的SAR遙感子圖像低波數(shù)能量譜，并基于分析圖2a中落山風(fēng)所導(dǎo)致的近岸海域SAR遙感圖像呈亮色的信息確定風(fēng)向為西北風(fēng)（圖3所示）.圖4是進行特征尺度分離后的SAR遙感子圖像，可以看出，相比圖2b更好地體現(xiàn)斑點狀海面后向散射特征.

將特征尺度分離后的星載SAR遙感子圖像（圖4）進行快速傅里葉變換，得到垂直于風(fēng)向方向的平均一維水平能量譜，判斷三維對流渦旋Cell的特征長度為1560m（圖5a）.根據(jù)邊界層相似理論提供的λCell與邊界層高度Zi1.5倍定量關(guān)系，得到MABL高度為1040m.

SAR遙感圖像計算得到的MABL高度結(jié)果與同步Lidar獲取的MABL高度（圖5b）及探空資料數(shù)據(jù)位溫剖面（圖5c）進行驗證分析.表1列出了進行同步實驗的相關(guān)地理位置和MABL探測高度.

圖2 （a）ENVISAT ASAR遙感圖像；（b）具有三維對流渦旋的星載SAR遙感子圖像Fig.2 （a）ENVISAT ASAR image and（b）sub SAR image with three dimensional convectional cells

圖3 星載SAR遙感子圖像低波數(shù)能量圖與海面風(fēng)向Fig.3 Energy spectrum of sub SAR image and the wind direction

圖4 特征尺度分離后的星載SAR遙感子圖像Fig.4 Diagnostic scale－separated sub SAR image

圖5 （a）垂直于風(fēng)向的一維水平能量譜；（b）青島海濱Lidar獲取的MABL高度；（c）青島氣象臺探空資料數(shù)據(jù)位溫剖面Fig.5 （a）Cross wind direction one dimensional energy spectrum；（b）MABL depth of Qingdao Seashore retrieved by Lidar and（c）Potential temperature result from Qingdao weather station

通過表1可以看出，星載SAR遙感圖像反演的MABL高度比Lidar獲取的MABL高度偏低，而氣象探空資料估計的MABL高度較高.λCell與Lidar獲取的MABL高度比值為1.35，接近1.5，與氣象探空資料相比，SAR遙感圖像反演的MABL高度誤差達到14%，而Lidar獲取的結(jié)果誤差為5%.

3.2 實例二

圖6 （a）ENVISAT ASAR星載SAR遙感圖像；（b）具有三維對流渦旋Cell特征的星載SAR遙感子圖像；（c）具有二維水平滾軸渦旋Roll的星載SAR遙感子圖像Fig.6 （a）ENVISAT ASAR SAR image，（b）Sub SAR image with three dimensional convective cells and（c）Sub SAR image with two dimensional convective rolls

表1 SAR、Lidar和氣象探空資料獲取的MABL高度的比較Table 1 The comparison between SAR，Lidar and weather data

圖6a是2006年春季SOLAS黃海實驗同步ENVISAT ASAR遙感圖像，圖像分辨率為25m，成像時間是2006－04－27 21∶31（BJT）.從該遙感圖像左下方到左上方可以觀測到二維水平滾軸渦旋Roll到三維對流渦旋Cell兩種對流現(xiàn)象的轉(zhuǎn)變，單純從遙感圖像的灰度值可以初步判斷遙感圖像左下方海域的風(fēng)速值高于左上方海域的風(fēng)速值.關(guān)于兩種對流方式之間轉(zhuǎn)變的定量關(guān)系，將會在以后的研究中展開.

通過分析該研究海域SAR遙感子圖像低波數(shù)能量圖，判斷風(fēng)向為西南風(fēng)向.從該遙感圖像中分別截取具有三維對流渦旋Cell特征的遙感子圖像（圖6b）和垂直于風(fēng)向方向上具有二維水平滾軸渦旋Roll特征的遙感子圖像（圖6c）作為實例研究數(shù)據(jù).基于三維對流渦旋Cell特征的SAR遙感子圖像，反演得到該海域MABL高度為722m.

二維水平滾軸渦旋Roll在SAR遙感圖像上體現(xiàn)為黑白相間的條紋，條紋間的間距一般在1～8km之間.基于星載SAR遙感圖像反演MABL高度流程，將具有Roll特征的SAR子圖像平滑后的平均一維灰度值，利用其空間特性得到平均水平波長為1896m（圖7所示）.

圖7 濾波后的平均一維灰度值Fig.7 Filtered mean one dimensional intensity

表2 現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)給出的海洋表面溫與底層大氣溫度Table 2 The potential temperature from the In－situ experiment data

根據(jù)SOLAS黃海實驗現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)表明（表2所示），該時刻海洋表面虛位溫高于底層大氣的虛位溫，即海氣溫差Tsea－air＞0，則MABL處于熱不穩(wěn)定狀態(tài).根據(jù)二維水平滾軸渦旋Roll水平波長與MABL高度在熱不穩(wěn)定條件下的線性Rayleigh－Benars對流理論，得到該海域MABL為677m.

由于Lidar探測位置與SAR遙感圖像中心位置距離大約270km，所以Lidar獲取的MABL高度不能作為定量驗證的標準.根據(jù)香港天文臺2006－04－27 08∶00提供的天氣狀況信息，Lidar數(shù)據(jù)可以作為SAR遙感圖像反演的MABL高度參考值［14］.表3給出進行同步實驗的相關(guān)地理位置和MABL探測高度.

表3 SAR和Lidar所探測的MABL高度比較Table 3 The comparison between SAR and Lidar

從表3可以看出，利用具有三維對流渦旋Cell特征的SAR遙感子圖像反演的MABL高度與利用具有二維水平滾軸渦旋Roll特征的SAR遙感子圖像反演MABL高度結(jié)果均高于Lidar獲取高度.將Lidar獲取的MABL高度設(shè)為SAR成像位置MABL的高度，得到λRoll與Lidar獲取MABL高度比值為3.01，介于實驗觀測比值2～6之間［9］，與Stull［11］提到的比值3最為接近.λCell與Lidar獲取的MABL高度比值為1.7，在實驗經(jīng)驗比值范圍1～5之間［2］，接近1.5.

4 分析與結(jié)論

本文通過具有三維對流渦旋Cell和二維水平滾軸渦旋Roll特征的星載SAR遙感圖像反演了MABL高度，首次對二者反演的MABL結(jié)果進行比較，結(jié)果吻合較好.同時首次提出利用Lidar獲取的MABL高度驗證星載SAR遙感圖像反演的MABL高度，為SAR、Lidar與探空資料數(shù)據(jù)集成技術(shù)探測MABL特征進行了首次嘗試.

通過本文表1與表3可以看出，SAR遙感圖像反演的MABL高度與Lidar獲取的MABL高度結(jié)果雖然基本一致，但有一定的出入.這可能由以下因素造成：（1）λCell／Roll與MABL高度的定量比值要求在實測的風(fēng)向條件下，而本文的海面風(fēng)向是通過對SAR遙感子圖像處理得到，與實際風(fēng)向會有一定的出入，影響MABL高度反演結(jié)果.（2）對SAR遙感圖像進行快速傅里葉變換得到垂直于海面風(fēng)向方向的平均一維水平能量譜時，由于風(fēng)向與實際風(fēng)向的出入而引入沿風(fēng)向方向的剪切力對最小峰值信息造成的失真，及能量譜離散化過程中由于分辨率限制導(dǎo)致最小峰值的偏差.（3）尺度分離過程中特征尺度的選擇，及其根據(jù)先驗知識選擇的圖像旋轉(zhuǎn)到自然坐標系下存在斑點狀后向散射特征的不均勻性問題，都會引入一維水平能量譜多尺度的峰值信息.而通過平均得到的一維水平能量譜和一維灰度值，也會降低低波數(shù)能量譜的可信度和空間分布信息.最后，Lidar測量氣溶膠后向散射信號及其通過探空資料數(shù)據(jù)得到MABL高度過程中，存在的系統(tǒng)誤差與二者測量時刻的時間延遲及空間間距也會對驗證分析結(jié)果產(chǎn)生一定的影響.

本研究通過實例研究與驗證分析展示了以高分辨率、大面積觀測為特點的星載SAR遙感圖像探測MABL的廣闊前景，同時表明可利用探空資料、Lidar的高精度剖面測量MABL結(jié)果，實時、同步地校正星載SAR遙感圖像大面積觀測MABL的定量反演結(jié)果，為后繼以SAR、探空資料與Lidar為基礎(chǔ)的集成技術(shù)探測MABL特征提供了參考.

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［14］ http：／／www.weather.gov.hk／wxinfo／currwx／wxchtc.htm.

Marine atmospheric boundary layer depth retrieval by SAR in China Sea

FAN Kai－Guo1，2，HUANG Wei－Gen1，HE Ming－Xia3，F(xiàn)U Bin2，SHI Ying－Ni4
1 91039 Army，PLA，Beijing102401，China
2 State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics Second Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Hangzhou310012，China
3 Ocean Remote Sensing Institute，Ocean University of China，Qingdao 266100，China
4 61741 Army，PLA，Beijing100094，China

The marine atmospheric boundary layer is the part of the atmospheric that has direct contact and，hence，is directly influenced by the ocean.Thus，at the marine atmospheric boundary layer is where the ocean and atmospheric exchange primarily via convective turbulent transport.Associated with these convective atmospheric phenomena is a varying sea surface wind field which modulated the short－scale sea surface roughness，and thus the kilometer－scale convective atmospheric phenomena，such as the three dimensional atmospheric convective cells and two dimensional convective rolls over the ocean，affect the sea surface roughness and thus become detectable by Synthetic Aperture Radar（SAR）.In this study，the boundary layer similarity theories and the convective theories are applied to the SAR images with the convectivecharacteristic of the marine atmospheric boundary layer，and the probability of getting the turbulent－scale horizontal variability in air－sea stress by SAR image is discussed.The depths of the marine atmospheric boundary layer could be retrieved by SAR image with three dimensional convective cells and two dimensional convective rolls，and both were compared to the depth retrieved by Lidar and potential temperature result from weather station.The results show that the method of marine atmospheric boundary layer depth retrieved by SAR image is feasible，and SAR image combining with Lidar and weather information will have bright future in the area of detecting the marine atmospheric boundary layer.

SAR，MABL，Similarity theory，Convective theory

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.009

P421

2011－08－12，2012－02－21收修定稿

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（41106155），山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎勵基金項目（2010BSA13015）和海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201105001）聯(lián)合資助.

范開國，男，1981年生，主要從事SAR海洋遙感研究.E－mail：van.fkg＠tom.com

＊通訊作者黃韋艮，男，1955年生，研究員，博士研究生導(dǎo)師，主要從事海洋遙感技術(shù)與應(yīng)用研究.E－mail：wghuang＠m(xù)ail.hz.zj.zn

范開國，黃韋艮，賀明霞等.星載SAR遙感圖像反演海洋大氣邊界層高度.地球物理學(xué)報，2012，55（4）：1137－1143，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.009.

Fan K G，Huang W G，He M X，et al.Marine atmospheric boundary layer depth retrieval by SAR in China Sea.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（4）：1137－1143，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.009.

（本文編輯 汪海英）