基于微波多載荷優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的海面風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演方法研究

萬(wàn) 勇，劉 燕

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266061）

海面風(fēng)場(chǎng)作為重要的海浪動(dòng)力過(guò)程之一，影響著海浪的產(chǎn)生及海流的運(yùn)動(dòng)，對(duì)上層海洋過(guò)程和海氣界面之間的物質(zhì)和能量交換有重要作用[1]。作為與人類(lèi)活動(dòng)最直接相關(guān)的海洋現(xiàn)象，全面系統(tǒng)的海面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)海洋科學(xué)研究、防災(zāi)減災(zāi)和國(guó)防建設(shè)等都具有重要意義。目前海面風(fēng)場(chǎng)的觀測(cè)方式主要有3種：現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)值預(yù)報(bào)和遙感觀測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是最早觀測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)的手段，可以獲取準(zhǔn)確的海面風(fēng)場(chǎng)信息，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積的實(shí)時(shí)海面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)[2]。隨著海洋技術(shù)的不斷發(fā)展，大范圍空間域多方式融合的數(shù)值預(yù)報(bào)模式也隨之出現(xiàn)。由于其本身是一種數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，其精度會(huì)受到驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)確性、初始條件的設(shè)定和水深等諸多條件的影響。微波遙感技術(shù)的發(fā)展為風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)提供了一種全新的手段，散射計(jì)首先被應(yīng)用于海面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)，可以獲得大面積的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，SAR具有空間分辨率高的優(yōu)勢(shì)，不受光照和天氣條件影響，隨之波譜儀也由觀測(cè)海浪信息逐漸發(fā)展為可以探測(cè)風(fēng)場(chǎng)信息。

使用散射計(jì)反演海面風(fēng)場(chǎng)最早可以追溯到1978年美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射了搭載有散射計(jì)SASS（Seasat-A Satellite Scatterometer）的海洋資源衛(wèi)星Seasat。目前，散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)反演涉及地球物理模型函數(shù)、風(fēng)場(chǎng)反演算法、風(fēng)場(chǎng)模糊解去除方法的研究。對(duì)于地球物理模型函數(shù)，1997年STOFFELEN A[3]、1999年WENTZ F等[4]分別基于C波段和Ku波段散射及散射計(jì)觀測(cè)發(fā)展了一系列CMOD（C-band Model）模型函數(shù)。對(duì)于風(fēng)矢量反演，1984年P(guān)IERSON J[5]、2006年宋新改等[6]先后提出了最大似然估計(jì)、多解反演等反演方法。對(duì)于模糊解去除，1986年LORENC A C[7]、1991年SHAFFER S J等[8]發(fā)展了中值濾波和二維變分分析等方法?；谏⑸溆?jì)的風(fēng)場(chǎng)反演，研究發(fā)現(xiàn)，地球物理模型同樣可以應(yīng)用于SAR的風(fēng)場(chǎng)反演。由于SAR的觀測(cè)方位角是固定的，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一海面單元進(jìn)行多次觀測(cè)，因此對(duì)于單極化的SAR風(fēng)場(chǎng)反演，需要首先獲取風(fēng)向，然后再利用CMOD模型函數(shù)計(jì)算風(fēng)速。風(fēng)向獲取主要有兩種方法：一是SAR風(fēng)條紋反演，風(fēng)吹動(dòng)海面使SAR圖像呈現(xiàn)出明暗相間的黑白條紋，如傅里葉變換法、局部梯度法等[9]；二是利用散射計(jì)和再分析數(shù)據(jù)等輔助資料直接獲取風(fēng)向信息[10]。海洋波譜儀利用測(cè)量得到的海面后向散射系數(shù)來(lái)反演得到海浪方向譜。對(duì)于其天底點(diǎn)的σ0，與風(fēng)速大小有關(guān)，與風(fēng)向的相關(guān)性很弱，參考高度計(jì)反演風(fēng)速的基本原理，選取入射角為0°的波束來(lái)反演風(fēng)速信息。針對(duì)波譜儀的風(fēng)向反演，2000年HESANY V等[11]通過(guò)分析飛艇探測(cè)到的10°的σ0數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速在6 m/s以下時(shí)，σ0隨風(fēng)向變化較為明顯，這證明入射角在10°附近時(shí)σ0存在不對(duì)稱(chēng)性。2019年黎鵬[12]利用中法海洋衛(wèi)星攜帶的SWIM（Surface Waves Investigation and Monitoring）數(shù)據(jù)成功使用0°波束反演得到風(fēng)速信息，10°波束得出風(fēng)向信息。

海面風(fēng)場(chǎng)可以通過(guò)海洋波譜儀、SAR和微波散射計(jì)等微波遙感器中的單一或多手段獲取。單星單載荷無(wú)法克服儀器本身缺陷引起的觀測(cè)問(wèn)題，會(huì)引起數(shù)據(jù)測(cè)量的局限性。散射計(jì)反演風(fēng)場(chǎng)空間分辨率低，SAR反演風(fēng)場(chǎng)需要外部風(fēng)向信息的輸入，波譜儀反演風(fēng)向存在無(wú)法區(qū)分順風(fēng)向是0°還是180°的情況?；谏鲜鰡屋d荷風(fēng)場(chǎng)反演存在的問(wèn)題，本文利用南海區(qū)域中現(xiàn)有的哨兵一號(hào)SAR圖像、MetOp散射計(jì)數(shù)據(jù)，以及SWIM波譜儀數(shù)據(jù)來(lái)反演中國(guó)南海區(qū)域的海面風(fēng)場(chǎng)，相互借助各自風(fēng)場(chǎng)信息實(shí)現(xiàn)3種載荷的兩兩聯(lián)合風(fēng)場(chǎng)反演，波譜儀和散射計(jì)分別與SAR聯(lián)合為其提供風(fēng)向，實(shí)現(xiàn)SAR的風(fēng)場(chǎng)反演，得到高分辨率的風(fēng)場(chǎng)信息，散射計(jì)與波譜儀相互聯(lián)合為波譜儀去除風(fēng)向模糊，得到無(wú)模糊的風(fēng)向結(jié)果，解決了現(xiàn)有的單載荷反演風(fēng)場(chǎng)存在的問(wèn)題。同時(shí)判斷聯(lián)合風(fēng)場(chǎng)各自的反演精度，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域大范圍高精度風(fēng)場(chǎng)研究做準(zhǔn)備。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

本研究利用Sentinel-1 SAR圖像、MetOp散射計(jì)數(shù)據(jù)和SWIM波譜儀數(shù)據(jù)反演中國(guó)南海區(qū)域的海面風(fēng)場(chǎng)，并利用ECWMF（European Centre for Medium-range Weather Forecasts）風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研究區(qū)域及使用數(shù)據(jù)介紹如下。

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)分布

南海是亞洲三大邊緣海之一，是西北太平洋最大的邊緣海，地跨熱帶與副熱帶，是我國(guó)最大的海域之一，是“21世紀(jì)海上絲綢之路”的關(guān)鍵區(qū)域，而且該區(qū)域蘊(yùn)含豐富的海洋資源，也是國(guó)際運(yùn)輸?shù)闹匾獏^(qū)域。在氣候上南海具有明顯的熱帶季風(fēng)氣候，是典型的季風(fēng)區(qū)，不過(guò)由于其地理位置特殊，天氣變化復(fù)雜，是臺(tái)風(fēng)的多發(fā)地，海上大風(fēng)直接影響著航海和生產(chǎn)，是造成海上災(zāi)難的主要原因之一。因此，選取該區(qū)域具有十分重大的意義，研究區(qū)域經(jīng)緯度范圍為15°N—27°N，107°E—126°E。

1.2 Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)

Sentinel-1衛(wèi)星是歐洲航天局發(fā)射的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)，由兩顆在軌運(yùn)行衛(wèi)星構(gòu)成，都載有C波段的SAR，可提供連續(xù)的對(duì)地觀測(cè)圖像，重放周期可達(dá)6天。Sentinel-1A衛(wèi)星載有的SAR擁有多種工作模式，本文使用的是VV極化的干涉寬測(cè)繪帶模式（Interferometric Wide swath，IW）下的Level-1級(jí)數(shù)據(jù)中的單視復(fù)數(shù)產(chǎn)品（Single Look Complex，SLC）數(shù)據(jù)，可以獲得相位和振幅信息，空間分辨率高于5 m×20 m，幅寬可達(dá)250 km。下載的SAR圖像需經(jīng)SNAP專(zhuān)用軟件的輻射定標(biāo)及Deburst處理，輻射定標(biāo)是將SAR記錄的原始灰度值轉(zhuǎn)換為后向散射系數(shù)，而Deburst去除的是Sentinel-1 IW SLC影像帶有脈沖的暗帶部分（黑色背景，無(wú)信號(hào)部分），效果就是合并所有脈沖有效信號(hào)部分。

1.3 MetOp散射計(jì)數(shù)據(jù)

MetOp系列衛(wèi)星包括三顆極地軌道氣象衛(wèi)星（MetOp-A、MetOp-B、MetOp-C），連同有關(guān)的地面設(shè)施共同構(gòu)成歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織（European Meteorological Satellite，EUMETSAT）的極地軌道衛(wèi)星系統(tǒng)（EUMETSAT polarsystem，EPS），其攜帶的ASCAT（Advanced Scatterometer）散射計(jì)按頻段分屬于C波段散射計(jì)，可以對(duì)同一個(gè)風(fēng)矢量單元能夠獲得觀測(cè)方位角相差45°的3次測(cè)量，采用雙刈幅觀測(cè)以提高空間覆蓋率，采用25°～65°的較大入射角使后向散射截面對(duì)風(fēng)速更敏感，以改善反演風(fēng)場(chǎng)的精度。MetOp衛(wèi)星的刈幅寬度為550 km，平均5天可以覆蓋全球一次，每天觀測(cè)全球范圍的65%。本文采用了空間分辨率為12.5 km的ASCAT L1級(jí)后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

1.4 中法海洋衛(wèi)星SWIM數(shù)據(jù)

中法海洋衛(wèi)星（China France Oceanography Satellite，CFOSAT）是我國(guó)航天領(lǐng)域第一次與先進(jìn)宇航國(guó)家開(kāi)展系統(tǒng)性、全流程合作的項(xiàng)目，也是中法兩國(guó)在航天工程領(lǐng)域、海洋科學(xué)領(lǐng)域高水平合作的重要成果。其搭載的波譜儀SWIM作為工作在Ku波段的小入射角雷達(dá)，獨(dú)特的工作方式（0°～360°全方位向掃描）使得它可以獲取全球范圍的0°～360°方位向的海面后向散射數(shù)據(jù)。SWIM/CFOSAT有6個(gè)波束對(duì)海面進(jìn)行同時(shí)探測(cè)，入射角分別為0°、2°、4°、6°、8°、10°。其產(chǎn)品體系可分為兩部分，分別是星下點(diǎn)0°入射角獲取的有效波高產(chǎn)品與其余入射角共同探測(cè)反演的波浪譜產(chǎn)品[13]。本研究中利用L2級(jí)的波譜儀數(shù)據(jù)中的后向散射系數(shù)產(chǎn)品，選取的入射角的0°波束反演風(fēng)速信息、10°波束反演風(fēng)向信息。

1.5 再分析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)

ERA5數(shù)據(jù)是歐洲中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)中心提供的第五代再分析數(shù)據(jù)，其范圍覆蓋全球。ERA5提供了自1979年至今的全球大氣再分析數(shù)據(jù)，包括海面10 m高處的風(fēng)速數(shù)據(jù)、海面10 m高處的風(fēng)向數(shù)據(jù)、平均波周期數(shù)據(jù)、有效波高數(shù)據(jù)等。ERA5數(shù)據(jù)提供每小時(shí)的數(shù)據(jù)（0時(shí)到23時(shí)），空間分辨率可達(dá)0.125°×0.125°。本研究選取在南海區(qū)域與各載荷觀測(cè)位置對(duì)應(yīng)且時(shí)間匹配的ERA5數(shù)據(jù)，ERA5數(shù)據(jù)與各載荷數(shù)據(jù)匹配時(shí)間窗口為1 h之內(nèi)，利用雙線性插值法匹配空間窗口為12.5 km，同時(shí)選擇海面10 m高處的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)作為反演驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 單載荷風(fēng)場(chǎng)反演方法研究

因?yàn)樯⑸溆?jì)可以在海面的同一位置進(jìn)行多次觀測(cè)，而SAR在一個(gè)位置只能觀測(cè)一次，所以SAR只能在輸入外部風(fēng)向的情況下利用地球物理模型函數(shù)得到風(fēng)速結(jié)果，而散射計(jì)可以在此基礎(chǔ)上結(jié)合最大似然估計(jì)方法和去模糊解算法反演得到海表面風(fēng)場(chǎng)信息。

2.1.1 SAR與散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)方法研究

（1）地球物理模型函數(shù)

本研究中風(fēng)場(chǎng)反演所使用的方法是CMOD5.N，其描述了VV極化后向散射系數(shù)和雷達(dá)天線方位角、雷達(dá)入射角、海面10 m處風(fēng)速和風(fēng)向的關(guān)系[14]，其表達(dá)式如式（1）所示。

（2）最大似然估計(jì)

最大似然估計(jì)（Maximum Likelihood Estimation，MLE）的代價(jià)函數(shù)定義如下。

（3）去模糊算法

去模糊算法使用的是同極化微波散射計(jì)的圓中數(shù)濾波算法（Circular Median Filtering，CMF）[16]，通過(guò)在初始風(fēng)場(chǎng)二維空間中開(kāi)一定大小的窗口，即計(jì)算周?chē)L(fēng)矢量風(fēng)向的圓中數(shù)，然后在中心風(fēng)矢量面元的幾個(gè)模糊解中找出風(fēng)向與圓中數(shù)最接近的一個(gè)替代中心的當(dāng)前風(fēng)矢量，對(duì)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)反復(fù)迭代，直到風(fēng)場(chǎng)不再改變或已達(dá)到預(yù)定的最大迭代次數(shù)為止，即得到模糊解去除后的風(fēng)矢量。

2.1.2 波譜儀風(fēng)場(chǎng)反演

根據(jù)前人結(jié)論得出：入射角范圍在0°～10°時(shí)，0°附近的平均后向散射系數(shù)隨風(fēng)速的增大減小較為劇烈；10°附近的后向散射系數(shù)隨相對(duì)風(fēng)向的各向異性與不對(duì)稱(chēng)性（絕對(duì)值）均較大。所以本研究中SWIM應(yīng)該采用0°附近的波束的后向散射系數(shù)來(lái)反演風(fēng)速、10°附近的波束的后向散射系數(shù)來(lái)反演風(fēng)向[12]。波譜儀0°波束下反演風(fēng)速參考高度計(jì)反演風(fēng)速的形式，公式如下。

2.2 多載荷風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演方法

2.2.1 基于散射計(jì)與SAR的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演

首先下載滿足散射計(jì)與SAR時(shí)空匹配的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上先實(shí)現(xiàn)散射計(jì)的風(fēng)場(chǎng)反演。散射計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)量控制去除異常的后向散射系數(shù)的點(diǎn)。將后向散射系數(shù)和入射角信息帶入地球物理模型函數(shù)中，經(jīng)過(guò)最大似然估計(jì)得到多個(gè)風(fēng)矢量解，再經(jīng)去模糊解得到散射計(jì)的風(fēng)場(chǎng)信息。而散射計(jì)反演的風(fēng)向結(jié)果作為SAR風(fēng)場(chǎng)反演的初始信息，再次將后向散射系數(shù)與入射角帶入地球物理模型中得出SAR的風(fēng)速結(jié)果，并對(duì)反演結(jié)果與ERA5數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，具體實(shí)驗(yàn)步驟如圖1散射計(jì)與SAR的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演示意圖所示。

圖1 散射計(jì)與SAR風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演示意圖

2.2.2 基于波譜儀與SAR的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演

在審美由城市主導(dǎo)、偽文藝開(kāi)始崩塌的時(shí)代，滋生于民間的土味文化，其野性、真誠(chéng)和賣(mài)力正在刺激大批城市人口以旁觀者的獵奇心理加入其中，逐步形成新一輪的審丑文化潮流。

選取波譜儀與SAR空間范圍相互覆蓋的數(shù)據(jù)，且時(shí)間范圍要求3 h以?xún)?nèi)，則滿足波譜儀與SAR的時(shí)空匹配。然后將SAR數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度與波譜儀數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度進(jìn)行空間匹配，因?yàn)椴ㄗV儀數(shù)據(jù)是以Box為單位，且每個(gè)Box的范圍為70 km×90 km，為了實(shí)現(xiàn)大范圍風(fēng)場(chǎng)反演，參考高度計(jì)與SAR的時(shí)空匹配規(guī)則[17]，本文以波譜儀的單個(gè)Box點(diǎn)為圓心，選取半徑為1°的圓面積內(nèi)的SAR數(shù)據(jù)作為單點(diǎn)Box匹配的SAR信息。

將反演得到的波譜儀的每個(gè)Box的模糊風(fēng)向作為圓面積內(nèi)的SAR的風(fēng)向信息，帶入地球物理模型函數(shù)中實(shí)現(xiàn)SAR的風(fēng)速反演，并對(duì)反演結(jié)果與ERA5數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，具體實(shí)驗(yàn)步驟如圖2波譜儀與SAR的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演示意圖所示。

圖2 波譜儀與SAR的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演示意圖

2.2.3 基于散射計(jì)與波譜儀的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演

首先根據(jù)下載的滿足散射計(jì)與波譜儀時(shí)空匹配的數(shù)據(jù)，參照本文2.1.1節(jié)SAR與散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)反演部分進(jìn)行散射計(jì)的風(fēng)場(chǎng)反演，以散射計(jì)的風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果中的風(fēng)向信息作已知條件。波譜儀反演風(fēng)向信息的過(guò)程中，選取后向散射系數(shù)最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的相對(duì)風(fēng)向角為0°或者180°，因此波譜儀反演風(fēng)向存在180°模糊問(wèn)題，選取距離波譜儀Box點(diǎn)最近的散射計(jì)的反演風(fēng)向作為參考風(fēng)向來(lái)判斷波譜儀的風(fēng)向信息。并對(duì)反演結(jié)果與ERA5數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，具體實(shí)驗(yàn)步驟如圖3所示。

圖3 散射計(jì)與波譜儀的聯(lián)合風(fēng)場(chǎng)反演示意圖

3 結(jié)果與討論

本文通過(guò)聯(lián)系多個(gè)微波遙感傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)建立各個(gè)傳感器之間相互關(guān)系，建立3種風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演的方法，將反演的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與ERA5進(jìn)行比較，使用均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）進(jìn)行評(píng)價(jià)，比較各數(shù)據(jù)風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演結(jié)果的精度。均方根誤差定義如下。

式中，Yi表示反演的風(fēng)場(chǎng)信息；Xi表示參考風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，即ERA5風(fēng)速或者風(fēng)向數(shù)據(jù)。

3.1 基于散射計(jì)與SAR的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演結(jié)果分析

本文所使用的SAR與散射計(jì)的數(shù)據(jù)如表1和表2所示，上下表中相應(yīng)位置的SAR與散射計(jì)數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)。所選散射計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)間與Sentinel-1 SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間相差在3 h以?xún)?nèi)，數(shù)據(jù)區(qū)域位置相互覆蓋，滿足時(shí)空匹配的條件。

表1 SAR數(shù)據(jù)信息

表2 散射計(jì)數(shù)據(jù)信息

本研究分析南海區(qū)域MetOp散射計(jì)與Sentinel-1SAR數(shù)據(jù)時(shí)空匹配的兩組數(shù)據(jù)，Sentinel-1SAR數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演風(fēng)速與ECMWF數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示，聯(lián)合反演風(fēng)速與ECMWF風(fēng)速的均方根誤差為1.972 7 m/s。SAR與散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演的最終結(jié)果中Sentinel-1SAR數(shù)據(jù)風(fēng)場(chǎng)反演的精度符合公認(rèn)的指標(biāo)要求，即均方根誤差小于2 m/s。散射計(jì)與SAR的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演結(jié)果由圖4可以明顯看出：在中等風(fēng)速下，反演得到的風(fēng)速高于ERA5的風(fēng)速，原因可能是選取的原始數(shù)據(jù)是2021年冬季1月的數(shù)據(jù)，CMOD5.N求取風(fēng)速數(shù)值時(shí)在春季偏低，夏秋冬季節(jié)偏高，RMSE數(shù)值在冬季較高[18]。

圖4 散射計(jì)與SAR聯(lián)合反演風(fēng)速結(jié)果

3.2 基于波譜儀與SAR的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演結(jié)果分析

本文所使用的波譜儀與SAR的數(shù)據(jù)如表3和表4所示，上下表中相應(yīng)位置的SAR與波譜儀數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)。所選波譜儀數(shù)據(jù)的時(shí)間與Sentinel-1SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間相差在1小時(shí)以?xún)?nèi)，滿足3 h的條件。

表3 SAR數(shù)據(jù)信息

表4 波譜儀數(shù)據(jù)信息

本文將SAR分塊后的后向散射系數(shù)與波譜儀的Box點(diǎn)進(jìn)行時(shí)空匹配，滿足時(shí)空匹配條件的SAR數(shù)據(jù)與波譜儀的風(fēng)向信息進(jìn)行組合。將反演得到的波譜儀Box點(diǎn)風(fēng)向作為輸入，使用CMOD5.N進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)反演，將反演得到的風(fēng)速與匹配的ERA5風(fēng)速進(jìn)行比較，計(jì)算其均方根誤差。

本文分析南海區(qū)域中法海洋衛(wèi)星SWIM波譜儀與Sentinel-1SAR數(shù)據(jù)時(shí)空匹配的三組數(shù)據(jù)，Sentinel-1SAR數(shù)據(jù)反演風(fēng)速與ECMWF數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖5所示，結(jié)果顯示反演風(fēng)速與ECMWF風(fēng)速的均方根誤差為1.986 m/s，其均方根誤差小于2 m/s，該風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演方法可行。由圖5也可以看出，聯(lián)波譜儀與SAR聯(lián)合反演得到的風(fēng)速高于ERA5的風(fēng)速結(jié)果，驗(yàn)證了上述CMOD5.N在冬季反演結(jié)果偏高的問(wèn)題。

圖5 波譜儀與SAR聯(lián)合反演風(fēng)速結(jié)果

3.3 基于散射計(jì)與波譜儀的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演結(jié)果分析

根據(jù)下載的兩種載荷的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，選取的散射計(jì)與波譜儀同步數(shù)據(jù)信息如表5和表6所示，上下表中相應(yīng)位置的散射計(jì)與波譜儀數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)。所選散射計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)間與波譜儀數(shù)據(jù)的獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間相差在1 h以?xún)?nèi)，滿足3 h的條件。

表5 散射計(jì)數(shù)據(jù)信息

表6 波譜儀數(shù)據(jù)信息

本文將散射計(jì)數(shù)據(jù)與波譜儀的Box點(diǎn)進(jìn)行時(shí)空匹配，將滿足時(shí)空匹配條件的散射計(jì)數(shù)據(jù)與波譜儀的信息進(jìn)行組合。將反演得到的散射計(jì)的風(fēng)向信息作為已知條件判斷波譜儀反演的風(fēng)向的模糊性，將最終的波譜儀的風(fēng)向結(jié)果與匹配的ERA5風(fēng)向進(jìn)行比較，計(jì)算其均方根誤差。

本研究分析南海區(qū)域中法海洋衛(wèi)星SWIM波譜儀與MetOp散射計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)空匹配的五組數(shù)據(jù)，由散射計(jì)去除波譜儀模糊風(fēng)向的結(jié)果與ECMWF數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖6所示，結(jié)果顯示反演得到的波譜儀風(fēng)向與ECMWF風(fēng)向的均方根誤差為26.758 9°。波譜儀與散射計(jì)聯(lián)合反演的最終結(jié)果波譜儀的風(fēng)向反演的精度符合公認(rèn)的指標(biāo)要求，即均方根誤差小于30°，即該風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演方法可行。

圖6 波譜儀與SAR的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演結(jié)果圖

4 結(jié) 論

本研究利用現(xiàn)有的南海范圍的Sentinel-1 SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)、MetOp散射計(jì)數(shù)據(jù)和中法海洋衛(wèi)星SWIM波譜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演研究，相互借助各自信息實(shí)現(xiàn)3種載荷的兩兩聯(lián)合，解決現(xiàn)有的SAR及波譜儀反演風(fēng)場(chǎng)存在的問(wèn)題，為我國(guó)以后未來(lái)遙感事業(yè)的發(fā)展提供單載荷的信息互補(bǔ)，得到高分辨率的風(fēng)場(chǎng)信息，研究結(jié)論如下。

（1）對(duì)于多載荷風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演方法研究，建立的3種風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合方法——SAR與散射計(jì)的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演、波譜儀與SAR的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演，以及散射計(jì)與波譜儀的風(fēng)場(chǎng)聯(lián)合反演，反演得到的風(fēng)速的均方根誤差都小于2 m/s，風(fēng)向的均方根誤差小于30°，都符合公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，即該3種方法均可行。

（2）對(duì)于SAR反演風(fēng)場(chǎng)問(wèn)題，SAR的風(fēng)速反演結(jié)果依賴(lài)于外部輸入風(fēng)向的精度，即SAR的最終反演結(jié)果依賴(lài)于散射計(jì)與波譜儀的反演結(jié)果。