星載高級(jí)合成孔徑雷達(dá)波模式算法及其反演數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證

于海濤, 唐澤艷, 魏永亮, 3, 4, 劉笑丫

星載高級(jí)合成孔徑雷達(dá)波模式算法及其反演數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證

于海濤1, 唐澤艷2, 魏永亮1, 3, 4, 劉笑丫1

(1. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306; 2. 國(guó)家海洋局 東海預(yù)報(bào)中心, 上海 200081; 3. 上海河口海洋測(cè)繪工程技術(shù)研究中心, 上海 201306; 4. 上海海洋大學(xué) 國(guó)際海洋研究中心, 上海 201306)

搭載在歐洲環(huán)境衛(wèi)星(ENVISAT)上的高級(jí)合成孔徑雷達(dá)(Advanced Synthetic Aperture Radar, ASAR)二級(jí)波模式數(shù)據(jù)提供了諸多海浪信息包括有效波高、波向、波長(zhǎng)和二維海浪譜等, 在海浪預(yù)報(bào)模式中具有重要作用。本文擬利用浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)ASAR波模式算法及其反演數(shù)據(jù)精度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。由于SAR衛(wèi)星在海面的特殊成像機(jī)制, 不同海況下會(huì)有不同的測(cè)量結(jié)果, 通過(guò)與美國(guó)國(guó)家浮標(biāo)中心(NDBC)的浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比, 顯示 ASAR有效波高在高海況下低估和在低海況下高估的現(xiàn)象, 在中等海況下的測(cè)量結(jié)果較優(yōu)。通過(guò)研究ASAR數(shù)據(jù)集中對(duì)應(yīng)的海浪譜, 按照能量與方向分布可分為四種類型: 單一方向海浪譜(Ⅰ類譜), 180°方向模糊海浪譜(Ⅱ類譜), 海浪兩個(gè)方向且能量分布雜亂(Ⅲ類譜), 多個(gè)傳播方向且譜型雜亂海浪譜(Ⅳ類譜)。探究在不同類型下的海浪參數(shù)的精度, 結(jié)果表明在單一波向正常海浪譜情況下, 有效波高、波向與浮標(biāo)數(shù)據(jù)一致性較好, 存在180°方向模糊的對(duì)稱海浪譜僅有效波高精度較高, 譜型雜亂的海浪譜海浪有效波高和波向反演結(jié)果均較差。

星載高級(jí)合成孔徑雷達(dá)波模式; 海浪譜; 海浪參數(shù); 精度驗(yàn)證

海浪是海洋中一種最常見(jiàn)且重要的海洋現(xiàn)象, 也是物理海洋學(xué)中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。海浪影響近岸工程的安全與穩(wěn)定, 引起海岸變遷和近岸水體交換, 與人類的海上活動(dòng)和沿海人民生活息息相關(guān), 因此提供準(zhǔn)確、快速的海浪參數(shù)計(jì)算方法, 是海洋學(xué)中一項(xiàng)重要任務(wù)[1]。目前海浪監(jiān)測(cè)手段有三種: 浮標(biāo)觀測(cè), 模式預(yù)報(bào)以及遙感觀測(cè)。浮標(biāo)觀測(cè)精度高, 但空間覆蓋有限, 不能大范圍地測(cè)量, 且生產(chǎn)維護(hù)成本較高; 模式預(yù)報(bào)是數(shù)學(xué)模擬結(jié)果, 而且計(jì)算精度受所采用的數(shù)據(jù), 如風(fēng)場(chǎng), 地形數(shù)據(jù)的影響; 遙感以其大范圍觀測(cè)的特點(diǎn), 特別是合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)因其全天候/全天時(shí)、高分辨率的觀測(cè)特點(diǎn), 成為海洋觀測(cè)最重要的遙感技術(shù)手段[2]。

針對(duì)SAR影像的海浪參數(shù)的反演, 逐漸成為海洋研究領(lǐng)域中的重要議題。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展, 從SAR影像中反演得出海浪參數(shù)主要分為兩種算法, 一是基于理論的傳統(tǒng)海浪反演算法, 主要包括Max-Planck Institute(MPI)算法[3-4]、Semi Parametric Retrieval Algorithm scheme (SPRA)[5]、Partition Rescaling and Shift algorithm(PARSA)[6]和Parameterized First-guess Spectrum Method(PFSM)[7]。上述算法均基于海面在SAR影像的三種成像調(diào)制機(jī)制: 傾斜調(diào)制, 流體力學(xué)調(diào)制和速度聚束, 理論算法可以得出二維海浪譜, 從二維譜中可以計(jì)算得出各種海浪參數(shù)。但由于速度聚束是一種非線性的成像機(jī)制, SAR影像無(wú)法獲得全部的海浪信息, 因此此類算法需要額外風(fēng)信息, 來(lái)補(bǔ)全損失的海風(fēng)浪成分并解決涌浪傳播方向180°模糊的問(wèn)題。第二類是經(jīng)驗(yàn)式海浪算法, 如針對(duì)ERS衛(wèi)星的CWAVE算法[8], 用于ASAR衛(wèi)星的CWAVE-ENVI算法[9]以及針對(duì)其他衛(wèi)星的CSAR_ WAVE算法[10]和QPCWAVE_GF3算法等[11]。相較于理論海浪反演算法, 此類算法無(wú)需引入額外數(shù)據(jù), 也不設(shè)計(jì)復(fù)雜的成像機(jī)制, 但無(wú)法得到二維海浪譜。

ENVISAT衛(wèi)星于2002年3月發(fā)射升空, 于2012年4月與地球失去聯(lián)系, 是歐洲迄今為止建造的最大的環(huán)境衛(wèi)星, 其所搭載的C波段先進(jìn)合成孔徑雷達(dá)ASAR, 可生成高質(zhì)量的海洋、陸地、極地等高質(zhì)量影像, 在運(yùn)行期間提供了大量不同類型和模式的數(shù)據(jù), 是世界上最成功的商業(yè)衛(wèi)星之一。ASAR波模式的海浪譜反演方法是根據(jù)Engen和Johnsen[12]提出的交叉譜算法, 后由歐空局改進(jìn), 該算法運(yùn)用分視技術(shù), 將單視復(fù)影像(Single Look Complex, SLC)處理成對(duì)應(yīng)不同中心頻率的三幅影像, 三幅影像是極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)同一海面的成像, 所以可以利用交叉譜的虛部, 解決涌浪傳波的180°模糊問(wèn)題, 并利用查找表法消除圖像中的非線性成分, 剩下的可認(rèn)為是涌浪造成的線性成分, 根據(jù)準(zhǔn)線性方程進(jìn)行求解, 后期歐空局又對(duì)該算法進(jìn)行了更新, 例如使用了新的截?cái)嗖ㄩL(zhǎng)的估計(jì)方法, 改進(jìn)了低波數(shù)的情況下的調(diào)制傳遞函數(shù)等[13], 以求提高波模式數(shù)據(jù)的反演精度。

自二級(jí)波模式的算法應(yīng)用后, 對(duì)算法的檢驗(yàn)問(wèn)題也不斷進(jìn)行研究。Johnsen等[14]利用2002年獲取的數(shù)據(jù)結(jié)合WAM 模型數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證, 其中有效波高的均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)為0.58 m, 均值偏差(Bias)為–0.4 m(ASAR-WAM), 而對(duì)于波周期大于12 s的有效波高, 其精度較優(yōu), 分別為0.3 m和0。Kerbaol等[15]對(duì)波模式數(shù)據(jù)做了區(qū)域及季節(jié)性的評(píng)估, 對(duì)于有效波高方面發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在低風(fēng)速下會(huì)對(duì)其高估, 而在高風(fēng)速下又會(huì)對(duì)其產(chǎn)生低估。楊勁松等[16]從理論上分析了在風(fēng)浪涌浪混合的情況下, 風(fēng)浪和涌浪的交叉譜會(huì)出現(xiàn)一個(gè)混合項(xiàng), 這會(huì)導(dǎo)致ASAR的結(jié)果出現(xiàn)一個(gè)固有誤差, 并分析認(rèn)為ASAR算法只有在有效波高較小、風(fēng)浪成分較少, 海浪方向更靠近衛(wèi)星距離向和波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)才適用。后期許多學(xué)者在驗(yàn)證數(shù)據(jù)精度時(shí)嘗試了更多的數(shù)據(jù)和方法, 如Li和Holt[17]運(yùn)用浮標(biāo)數(shù)據(jù)與高度計(jì)數(shù)據(jù), 并對(duì)所得的海浪譜進(jìn)行了對(duì)比。任啟峰[18]系統(tǒng)地比較了ASAR與浮標(biāo)的一維頻譜, 并根據(jù)二者頻譜的相關(guān)系數(shù)與零階矩來(lái)說(shuō)明譜型與譜的能量分布問(wèn)題。Li等[19]對(duì)ASAR波模式數(shù)據(jù)做了系統(tǒng)的驗(yàn)證, 運(yùn)用PARSA和CWAVE-ENVI算法對(duì)一級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到海浪參數(shù), 并結(jié)合歐洲中期氣象中心(ECMWF, European Center for Medium-Range Weather Forecast)再分析數(shù)據(jù)、DWD(Deutscher Wetterdienst)模式數(shù)據(jù)以及浮標(biāo)數(shù)據(jù), 結(jié)果表明兩種算法得到的有效波高均優(yōu)于二級(jí)波模式數(shù)據(jù)給出的結(jié)果。王賀等[20]引入新式的三重驗(yàn)證模型(Triple Collocation Model)驗(yàn)證波模式數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度, 此方法可以得到更客觀的驗(yàn)證結(jié)果能避免了單一驗(yàn)證數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性。孫建等[21]分析了SAR影像的條紋清晰度與有效波高反演準(zhǔn)確度的關(guān)系, 在海浪參數(shù)中特別是有效波高和方位向截?cái)嗖ㄩL(zhǎng)對(duì)影像條紋清晰的敏感性最高。

本文旨在利用浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)ENVISAT衛(wèi)星運(yùn)行期間(2002—2012年)的二級(jí)波模式數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比, 以驗(yàn)證波模式反演算法精度, 重點(diǎn)分析ASAR數(shù)據(jù)在近岸與大洋、不同海況及不同二維海浪譜型下的各海浪參數(shù)精度。此方法可對(duì)哨兵系列衛(wèi)星和我國(guó)高分3號(hào)衛(wèi)星的海浪觀測(cè)波模式數(shù)據(jù)的精度驗(yàn)證提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)介紹

1.1 ASAR二級(jí)波模式數(shù)據(jù)

ASAR波模式數(shù)據(jù)是針對(duì)海洋觀測(cè)所開(kāi)發(fā)的模式, 衛(wèi)星拍攝期間每隔100 km生成約10 km×5 km大小的影像, 每幅影像的時(shí)間間隔大約為15 s。歐空局官方將ASAR波模式數(shù)據(jù)分為三種級(jí)別的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布: Lv0原始數(shù)據(jù)(ASA_WV_0)、Lv1單視復(fù)數(shù)據(jù)(ASA_WVI_1)和交叉譜數(shù)據(jù)(ASA_WVS_1)以及Lv2海浪譜數(shù)據(jù)(ASA_WVW_2)。其中二級(jí)波模式數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱為WVW)還包含了從海浪譜中計(jì)算獲得的有效波高、波向、波長(zhǎng)等許多海浪參數(shù)。ASAR二級(jí)波模式數(shù)據(jù)除以上參數(shù)外, 還包括標(biāo)準(zhǔn)化圖像方差、雷達(dá)散射截面等參數(shù)。WVW所提供的海浪譜為波數(shù)方向譜(,), 其中是波數(shù), 數(shù)量為24個(gè), 在0.003 93到0.104 72 (對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為800 m和30 m) 范圍內(nèi)以對(duì)數(shù)分布,為波向, 數(shù)量為36個(gè), 在[0～2π]范圍內(nèi)等間距分布。波數(shù)方向譜對(duì)應(yīng)的頻率范圍是從0.044 2 Hz到0.228 1 Hz, 將波數(shù)方向譜轉(zhuǎn)化為一維頻率譜()及計(jì)算有效波高H的公式如下[18]:

1.2 NDBC浮標(biāo)數(shù)據(jù)

浮標(biāo)數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心(National Data Buoy Center, NDBC)提供, 其標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括了海表面風(fēng)信息(風(fēng)速、風(fēng)向等)和海浪數(shù)據(jù)(有效波高、波周期等)。風(fēng)速和海浪數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率大都為1 h, 部分浮標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為30 min。浮標(biāo)通過(guò)加速度計(jì)和傾斜測(cè)量?jī)x獲得海面的波動(dòng)信息, 利用傅里葉變換將時(shí)域信息轉(zhuǎn)化為頻域信息, 根據(jù)得到的能量與頻率譜來(lái)獲得有效波高、波周期等信息, 部分浮標(biāo)還可以提供波向信息。只有少部分浮標(biāo)可以提供二維海浪譜, 大部分浮標(biāo)可提供海浪一維譜, 在譜密度數(shù)據(jù)中獲得, 一維海浪譜有兩種頻率分布, 分別為: 0.03～0.4 Hz和0.02～0.485 Hz。本文共收集到了158個(gè)浮標(biāo)的數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)的總量為13 855 708條, 根據(jù)下文的數(shù)據(jù)剔除規(guī)則, 最終使用的浮標(biāo)數(shù)量為113個(gè)。浮標(biāo)的位置主要分布于美國(guó)的東西兩岸, 為區(qū)分近岸與大洋浮標(biāo), 以50 km為界, 離岸50 km以內(nèi)的為近岸浮標(biāo), 50 km以外的為大洋浮標(biāo), 如圖1所示, 其中紅色的為近岸浮標(biāo), 數(shù)量為42, 藍(lán)色的為大洋浮標(biāo)數(shù)量為71。浮標(biāo)數(shù)據(jù)中的風(fēng)速信息為海面5 m高度處, 需將其轉(zhuǎn)換成海面10 m處風(fēng)速[22]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)匹配方法

圖1可以看出大部分浮標(biāo)位于近岸區(qū)域, 衛(wèi)星雷達(dá)在測(cè)量近岸海域時(shí), 受到陸地回波的干擾, 會(huì)對(duì)正常的海浪觀測(cè)結(jié)果造成誤差, 結(jié)果是產(chǎn)生一些較大的觀測(cè)值, 根據(jù)前人的處理方法, 需對(duì)原始的匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除, 公式如下[17]:

ASARSWH– BuoySWH≤5 m, (8)

以5 m為界限可以剔除大誤差數(shù)據(jù)的同時(shí)也盡量保證原始數(shù)據(jù)的真實(shí)性。此外還去除掉了SWH為0 m的浮標(biāo)數(shù)據(jù), 并對(duì)異常的SWH和風(fēng)數(shù)據(jù)(在NDBC浮標(biāo)中顯示為99)做了剔除, 最終剔除了1 795對(duì)數(shù)據(jù), 大約占原始數(shù)據(jù)的26.7%, 剩余4 926對(duì)匹配數(shù)據(jù)。匹配到的數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度為2002—2012年。

2.2 海況劃分方法

由于海浪的三種成像機(jī)制—傾斜調(diào)制、流體力學(xué)調(diào)制和速度聚束在不同海況下對(duì)SAR成像的貢獻(xiàn)占比是不同的, 如在高海況下, 速度聚束對(duì)海浪成像影響較大。因此可以研究波模式反演算法在不同海況下的精度, 以檢驗(yàn)海況對(duì)ASAR波模式成像和反演算法的影響。海況的劃分依據(jù)可按照海況等級(jí)表, 如表1所示。

表1 海況等級(jí)表

3 結(jié)果與分析

3.1 WVW二維海浪譜類型

將ASAR與浮標(biāo)匹配到的數(shù)據(jù)的二維海浪譜全部輸出, 然后統(tǒng)計(jì)不同譜型, 結(jié)果可分為四類, 如圖2所示。圖2(a)代表海浪譜只有一個(gè)方向, 且能量相對(duì)集中, 一般情況下正常海浪譜均與圖2(a)圖相似; 圖2(b)的海浪譜有180°方向模糊的問(wèn)題, 其能量的位置與大小分布均對(duì)稱; 圖2(c)顯示為兩個(gè)海浪傳播方向, 但海浪譜的能量與位置分布并沒(méi)有對(duì)稱關(guān)系; 圖2(d)顯示有多個(gè)海浪的傳播方向, 相較于其他三種類型的海浪譜能量分布十分分散。為了便于分析, 后文我們將圖2 (a)、(b)、(c)、(d)四圖對(duì)應(yīng)的海浪譜分別稱為Ⅰ類譜, Ⅱ類譜, Ⅲ類譜, Ⅳ類譜, 四類譜下與浮標(biāo)匹配到的數(shù)據(jù)分別為2305對(duì)、2053對(duì)、461對(duì)和107對(duì)。

3.2 WVW與浮標(biāo)有效波高驗(yàn)證結(jié)果

圖3(a)為匹配到的全部浮標(biāo)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果, 圖中顏色條為歸一化的數(shù)據(jù)密度, 數(shù)值越大表明該區(qū)域的數(shù)據(jù)越密集。對(duì)比結(jié)果顯示二者相關(guān)系數(shù)為0.711, 而均方根誤差較大為0.907 m, 匹配數(shù)據(jù)主要集中在波高0.7～2.5 m左右, 且該部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)比較密集, 一致性較高; 而當(dāng)波高大于4 m時(shí), 數(shù)據(jù)點(diǎn)比較分散一致性較差。整體來(lái)看即使去除點(diǎn)波高差大于5 m的匹配數(shù)據(jù), WVW有效波高精度仍不高。從ASAR波模式算法本身來(lái)說(shuō), 在處理過(guò)程中去除了影像中的非線性成分, 該部分包含有風(fēng)浪的信息, 而且算法中的計(jì)算均以交叉譜為基礎(chǔ), 無(wú)初猜譜, 方位向截?cái)嗖〝?shù)之外的信息得不到補(bǔ)償, 因此最終會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的有效波高精度較差。

圖3(b)與圖3(c)分別為ASAR數(shù)據(jù)與大洋浮標(biāo)近岸浮標(biāo)的對(duì)比結(jié)果, 從圖像上看二者與圖(a)數(shù)據(jù)分布大致相同, 數(shù)據(jù)主要集中在波高0.7～2.5 m左右。各參數(shù)顯示ASAR在遠(yuǎn)海區(qū)域的測(cè)量精度較高, 均方根誤差為0.826 m, 相關(guān)系數(shù)為0.774; 而近岸數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果顯示均方根誤差為1.168 m, 相關(guān)系數(shù)為0.587, 遠(yuǎn)低于與大洋數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果。觀察三者的均值偏差分別為0.027 m、–0.088 m、0.471 m, 近岸情況下的均值偏差遠(yuǎn)高于前二者, 說(shuō)明ASAR在測(cè)量過(guò)程中確實(shí)會(huì)受到陸地的影響, 會(huì)出現(xiàn)ASAR觀測(cè)結(jié)果偏大的現(xiàn)象。

3.3 WVW數(shù)據(jù)在不同海況下的精度驗(yàn)證

為進(jìn)一步分析不同海況下的有效波高精度, 將海況按照有效波高劃分, 劃分的依據(jù)為海況等級(jí)表, 結(jié)果如表2所示。ASAR有效波高在中等海況下精度較好, 如波高區(qū)間在(1.25, 2.5]、(2.5, 4]內(nèi), 均值偏差最小為0.14 m, 均方根誤差最小為0.65 m, 散射指數(shù)27.2%, 而且該部分?jǐn)?shù)據(jù)的偏差占比也相對(duì)較小, 僅在7%左右。但在高海況區(qū)域時(shí), 部分參數(shù)如均值偏差和均方根誤差數(shù)值較大, 但散射指數(shù)卻偏小, 該部分可能是由于收集到的匹配數(shù)據(jù)較少, 所以得到了較差的統(tǒng)計(jì)參數(shù)?？傮w均值偏差有減小的趨勢(shì), 并且在低海況下為正值, 高海況下為負(fù)值, 與Kerbaol[15]的研究結(jié)果類似。

表2 ASAR二級(jí)波模式有效波高數(shù)據(jù)浮標(biāo)數(shù)據(jù)不同海況下的對(duì)比結(jié)果

為了更直觀的表現(xiàn)不同海況下ASAR與浮標(biāo)有效波高數(shù)據(jù)的相對(duì)變化, 本文研究了匹配數(shù)據(jù)對(duì)的偏差隨著有效波高和風(fēng)速的變化趨勢(shì), 如圖4所示。無(wú)論是以有效波高還是風(fēng)速來(lái)表示不同海況, 二者都表示了較為一致的減小的趨勢(shì)。根據(jù)擬合的一次方程, 偏差隨有效波高變化的斜率為–0.39, 而隨風(fēng)速變化的斜率為–0.14, 偏差隨風(fēng)速的變化相較于隨波高的變化趨勢(shì)較小, 這可能是由于SAR成像過(guò)程中, 由于方位向截?cái)嗖ㄩL(zhǎng)效應(yīng)的影響, 會(huì)使得SAR損失掉風(fēng)浪信息, 只剩下涌浪的部分, 而大洋中的涌浪與當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)關(guān)系并不大, 因此有效波高隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)相較于隨著波高的變化趨勢(shì)幅度較小。

3.4 WVW數(shù)據(jù)在不同譜型下的精度驗(yàn)證

本文將ASAR反演得到的二維海浪譜分為4類(圖2), 為研究反演算法得到的不同類型海浪譜對(duì)應(yīng)的反演精度, 本部分對(duì)有效波高和波向數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。圖5為有效波高的對(duì)比結(jié)果。在圖5(a)與圖5 (b)中可以發(fā)現(xiàn),Ⅰ類與Ⅱ類海浪譜譜型對(duì)應(yīng)的有效波高的精度相對(duì)較高, 二者相關(guān)系數(shù)分別為0.701與0.689, 而圖5(c)與圖5 (d)對(duì)應(yīng)Ⅲ類和Ⅳ類的反演結(jié)果較差, 相關(guān)系數(shù)均在0.5以下, 且從均值偏差來(lái)看WVW均產(chǎn)生了較大的高估。其中圖5(a)數(shù)據(jù)主要集中在有效波高1.4～2.5 m左右, 圖5(b)數(shù)據(jù)主要集中在0.8～2 m左右, 圖5(c)數(shù)據(jù)主要集中在0.8～1.8 m左右, 與圖3(a)數(shù)據(jù)集中的區(qū)間大致相同, 圖5(d)的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少, 無(wú)法確定其數(shù)據(jù)的集中區(qū)間。圖5(b)表示的Ⅱ類譜與圖5(a)表示的Ⅰ類譜相關(guān)系數(shù)大致相等的情況下, 圖5(b)的均方根誤差較小, 為0.664 m, 表明4類海浪譜中, Ⅱ類譜的反演結(jié)果最優(yōu), 但Ⅱ類譜型是存在海浪傳播方向180°模糊的海浪譜, 在對(duì)此類譜進(jìn)行積分計(jì)算海浪參數(shù)時(shí)應(yīng)只對(duì)對(duì)稱的一半海浪譜進(jìn)行積分, 有效波高理論結(jié)果應(yīng)為當(dāng)前結(jié)果的二分之一。本文將對(duì)稱譜型對(duì)應(yīng)的海浪譜有效波高結(jié)果除以2后的結(jié)果經(jīng)行驗(yàn)證, 均值偏差為0.95 m, 均方根誤差為1.2 m, 散射指數(shù)高達(dá)91.3%, 可以認(rèn)為是極差的反演結(jié)果, 對(duì)稱的海浪譜積分結(jié)果反而與浮標(biāo)值更為接近, 其中原因有待探討。

此外還分析了各譜型下不同風(fēng)速區(qū)間數(shù)據(jù)點(diǎn)的比例, 如表3所示, 其中低風(fēng)速區(qū)間為(0, 5.4), 中風(fēng)速為(5.4, 10.7), 高風(fēng)速為大于10.7, 單位m·s–1?？梢钥闯觫箢?、Ⅳ類兩種海浪譜型下的低風(fēng)速的數(shù)據(jù)點(diǎn)占比較大, 均超過(guò)了50%, 表明低風(fēng)速下WVW二維海浪譜更容易出現(xiàn)譜型雜亂的現(xiàn)象, 原因可能是ASAR二級(jí)波模式算法傳遞調(diào)制函數(shù)不準(zhǔn)確, 導(dǎo)致了低海況下的不準(zhǔn)確問(wèn)題[16], 而且根據(jù)上文內(nèi)容ASAR在低風(fēng)速下對(duì)有效波高會(huì)產(chǎn)生高估, 因此在這兩種譜型下也會(huì)出現(xiàn)高估的現(xiàn)象。

表3 各類海浪譜有效波高在不同風(fēng)速區(qū)間的比例

譜型的不準(zhǔn)確也會(huì)影響海浪傳播方向的反演精度, 因此基于四種譜型進(jìn)一步分析了海浪傳播方向的準(zhǔn)確性, 剔除浮標(biāo)波向中的無(wú)效數(shù)據(jù), 最終得到1128對(duì)匹配數(shù)據(jù), 如圖6所示。需注意海浪具有方向性, 數(shù)值的差距并不能直接反應(yīng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 例如波向?yàn)?50°和10°, 數(shù)值上差為340°, 但實(shí)際方向僅差20°, 因此該部分的波向匹配數(shù)據(jù)需進(jìn)行預(yù)處理, 將其轉(zhuǎn)化為較小圓弧間的度數(shù)差, 圖中紅色星號(hào)代表該部分?jǐn)?shù)據(jù)。在四種海浪譜型中, (a)圖代表的Ⅰ類海浪譜波向的反演精度最高, 其相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.828, 相較于其他3種類型的海浪譜相關(guān)系數(shù)有較明顯的優(yōu)勢(shì)。在波向反演方面, 僅有單一波向的Ⅰ類海浪譜反演精度最高, 其他多波向的海浪譜波向反演精度較差, 這與實(shí)際理論相符合。

所有的ASAR數(shù)據(jù)波向主要集中在50°～150°和250°～300°兩個(gè)度數(shù)范圍內(nèi), 即使在單一波向海浪譜的情況下仍有此現(xiàn)象。發(fā)生此現(xiàn)象可能是由于ASAR數(shù)據(jù)匹配的浮標(biāo)位置大都位于美國(guó)的東西兩岸, 由于合成孔徑雷達(dá)截?cái)嗖ㄩL(zhǎng)的影響, ASAR得到的海浪信息多為波長(zhǎng)較長(zhǎng)的涌浪, 而涌浪在岸邊一般都是向岸傳播的[23], 因此匹配到的ASAR波向會(huì)相對(duì)集中在上述的方向區(qū)間內(nèi), 而浮標(biāo)測(cè)量為風(fēng)浪和涌浪混合的方向, 因此浮標(biāo)不會(huì)出現(xiàn)上述情況。

4 結(jié)論

本文結(jié)合NDBC浮標(biāo)數(shù)據(jù), 對(duì)ENVISAT ASAR二級(jí)波模式反演算法有效性及其反演精度進(jìn)行了驗(yàn)證, 統(tǒng)計(jì)得到了4種類型的二維海浪譜, 分析了近岸與大洋情況下以及不同風(fēng)速和不同有效波高范圍的測(cè)量精度, 以及不同海浪譜譜型下海浪參數(shù)的精度問(wèn)題, 得到以下結(jié)論:

(1) 本文通過(guò)收集與ASAR相應(yīng)的浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)二級(jí)波模式數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證, 波模式算法在計(jì)算過(guò)程中除去了海浪中的非線性部分, 并未引入初猜譜, 方位向截?cái)嗖〝?shù)之外的海浪信息得不到補(bǔ)償, 可能是有效波高產(chǎn)生誤差的主要原因。此外還探究了ASAR在近岸與大洋情況下的測(cè)量精度, 顯示ASAR在大洋測(cè)量精度更高, 均方根誤差為0.826 m, 相關(guān)系數(shù)為0.774, 近岸數(shù)據(jù)均方根誤差為1.168 m, 相關(guān)系數(shù)為0.587, 而且從均值偏差來(lái)看ASAR有效波高數(shù)據(jù)在近岸會(huì)出現(xiàn)高估的現(xiàn)象。

(2) 文章分析了不同海況下的有效波高精度, 其中中等海況下的有效波高反演精度較高, 均值偏差最小為0.14 m, 均方根誤差最小為0.65 m。均值偏差隨著海況的變化情況符合前人的研究結(jié)果, 在低海況下會(huì)產(chǎn)生高估, 隨著海況的增加最終會(huì)產(chǎn)生低估, 低海況下的高估的原因可能是由于傾斜調(diào)制傳輸方程不準(zhǔn)確, 高海況下低估的原因可能是SAR成像過(guò)程中的速度聚束產(chǎn)生的截?cái)嗖ㄩL(zhǎng)效應(yīng), 使得低于某一波長(zhǎng)的海浪無(wú)法被SAR影像獲取而產(chǎn)生的誤差, 而且海況越高, 海浪中的非線性成分占比越大, 低估的現(xiàn)象會(huì)更明顯。

(3) 根據(jù)ASAR獲得的二維海浪譜形狀, 將其分為4種譜型, 每種譜型對(duì)應(yīng)的海浪參數(shù)精度各不同, 其中單一方向, 沒(méi)有180°方向模糊的I類海浪譜對(duì)應(yīng)的有效波高精度較高, 相關(guān)系數(shù)為0.701, 均值偏差為0.053 m; 然而存在180°方向模糊的II類對(duì)稱海浪譜對(duì)應(yīng)的有效波高數(shù)據(jù)精度卻與正常海浪譜結(jié)果相近, 相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了0.689, 與理論不太相符, 但在波向方面僅為正常海浪譜對(duì)應(yīng)波向數(shù)據(jù)一致性較高, 相關(guān)系數(shù)為0.828, 遠(yuǎn)高于其他三種類型的海浪譜。總體來(lái)說(shuō), 由ASAR二級(jí)波模式數(shù)據(jù)反演方法獲得的海浪譜計(jì)算得到的有效波高, 在得到的二維海浪譜能量相對(duì)集中時(shí)精度較高, 波向方面僅在單一波向的二維海浪譜的精度較高。

本文的研究結(jié)果可為后續(xù)相關(guān)研究提供科學(xué)依據(jù)。其他系列衛(wèi)星的海浪參數(shù)反演算法可以考慮不同海況條件下的反演差異性, 或許可以提高海浪參數(shù)反演精度。此外, 本文僅研究了數(shù)據(jù)反演精度, 需要進(jìn)一步研究如何提高該反演精度。

致謝: 本文使用的ASAR波模式數(shù)據(jù)由歐空局(ESA)提供, 使用的浮標(biāo)數(shù)據(jù)于美國(guó)國(guó)家數(shù)據(jù)浮標(biāo)中心(NDBC)下載, 在此表示感謝。

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Validation of the precision of retrieval algorithm and its retrieved data of Space-borne Advance Synthetic Aperture Radar wave mode data

YU Hai-tao1, TANG Ze-yan2, WEI Yong-liang1, 3, 4, LIU Xiao-ya1

(1. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Prediction Center of East China Sea, State Oceanic Administration, Shanghai 200081, China; 3. Engineering Research Center on Estuarine and Oceanographic Mapping, Shanghai Municipal Ocean Bureau, Shanghai 201306, China; 4. International Center for Marine Studies, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

ENVISAT Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) level 2 products provide wave information about significant wave height (SWH), wave direction, wavelength, and 2D spectrum, all playing an important role in wave models; hence, the precision of ASAR data is essential for the model predictions. The precision of the retrieval algorithm and its retrieved data of ENVISAT ASAR wave mode data will be validated using buoy observations. Due to the special imaging mechanism of Synthetic Aperture Radar on the sea surface, there will be different results under various sea states. When compared with buoy data from the American National Data Buoy Center , the results revealed that ASAR SWH data were overestimated under low sea states and underestimated under high sea states with better coincidence under medium sea states. After analyzing the energy distribution and spectral shapes, the wave spectra retrieved from ASAR wave mode images can be categorized into four types, i.e., wave spectra with a single direction (type I), spectra with 180° wave direction ambiguity (type II), spectra with two wave directions but different spectral energy (type III) and wave spectra with disordered shapes (type IV). The accuracy of the wave parameters of different spectral types was discussed by studying the corresponding two-dimensional spectra. The results showed that the SWH and wave direction was consistent with the buoy data for the normal spectra with a single direction; however, only SWH showed good consistency for the spectra with 180° wave direction ambiguity. The spectra with disordered shapes showed poor results. This study will be a valuable reference for future research on wave retrieval algorithms and data assimilation.

ENVISAT ASAR wave mode; wave spectrum; wave parameters; precision validation

Jul. 12, 2021

P731.22

A

1000-3096(2022)09-0001-11

10.11759/hykx20210712001

2021-07-12;

2021-10-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41976174, 41606196)

[National Natural Science foundation of China, Nos. 41976174, 41606196]

于海濤(1996—), 碩士研究生, 主要研究方向?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)反演海浪信息, E-mail: yhtbili@163.com; 魏永亮(1981—),通信作者, 副教授, 主要研究方向?yàn)楹Ｑ笪⒉ㄟb感, Email: yl-wei@shou.edu.cn

(本文編輯: 康亦兼)