海洋白帽的高空間分辨率光學(xué)遙感估算分析

趙碧，丁靜，劉建強(qiáng)，焦俊男，唐君，陸應(yīng)誠(chéng)

1.南京大學(xué) 國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210023;

2.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心, 北京 100081;

3.自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081

1 引 言

海面在風(fēng)的作用下產(chǎn)生海浪，隨著海表風(fēng)速增加到某一臨界值，海浪破碎并在波峰處產(chǎn)生大量的氣泡，從而形成目視特征顯著的白色氣泡水體，被稱為海洋白帽或白冠（Oceanic whitecaps，本文中統(tǒng)稱為白帽）（Raizer 等，1994；Melville，1996；Pivaev等，2021）。海洋白帽是海面波浪破碎的直觀表現(xiàn)（Callaghan 等，2008a；Salisbury 等，2014；Paget等，2015），是海氣交換的重要媒介和通道（Frouin 等，1996 和2001；Callaghan 等，2008a），在海氣通量交換（Asher 和Wanninkhof，1998；Goddijn-Murphy等，2016；Monahan等，1983）、海洋能量傳遞（Phillips，1985；Melville，1996）、海浪發(fā)展及波形破碎（Hanson 和Phillips，1999；Melville，1996；Myrhaug 和Holmedal，2008）等方面具有指示作用，是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)研究的重要對(duì)象。

描述海洋白帽的屬性參數(shù)主要有白帽反射率、白帽覆蓋率等，海洋白帽在光學(xué)到微波譜段內(nèi)的反射特性基本得到闡明（Koepke，1984；Kokhanovsky，2004；Moore 等，2000；Nicolas 等，2001），其在可見(jiàn)光、近紅外波段的反射率高于背景水體，因此海洋白帽在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料中易于目視識(shí)別和提取（Koepke，1984；Frouin 等，1996，2001）。海洋白帽的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析基于原位觀測(cè)的照片或視頻資料，通過(guò)統(tǒng)計(jì)一定范圍內(nèi)白帽面積和發(fā)生頻率等特征，從而揭示該區(qū)域環(huán)境動(dòng)力的現(xiàn)象與影響因素（Monahan等，1983；Goddijn-Murphy等，2011；Callaghan 等，2008a；Jia 和Zhao，2019；Zhang 等，2015）?；诂F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料能進(jìn)一步給出白帽覆蓋率，即白帽面積占總觀測(cè)面積的比例（Whitecap coverage 或Whitecap fraction）從而可建立起白帽覆蓋率與風(fēng)速之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型（Monahan 和Muircheartaigh，1980；Callaghan 等，2008b；Lafon等，2004）。不同海域的“白帽覆蓋率—風(fēng)速”模型研究，進(jìn)一步揭示了風(fēng)對(duì)海面（波浪破碎、海面粗糙度、海氣交換等）的作用機(jī)制、影響程度及區(qū)域分異特點(diǎn)（Monahan等，1983；Goddijn-Murphy等，2011；Callaghan等，2008a；Jia和Zhao，2019；Zhang等，2015）。

衛(wèi)星光學(xué)遙感技術(shù)開(kāi)展海洋白帽的觀測(cè)分析，是厘清不同區(qū)域海洋白帽的分布變化、揭示海洋環(huán)境動(dòng)力特征的有效技術(shù)支撐（Koepke，1984；Kokhanovsky，2004；Moore 等，2000；Nicolas 等，2001）。在海洋白帽遙感研究中，除了云霧的影響，圖像空間分辨率、海洋水色差異、海面耀光反射、海洋環(huán)境動(dòng)力等均會(huì)產(chǎn)生影響（Monahan等，1983；Goddijn-Murphy等，2011；Callaghan等，2008a；Myrhaug 和Holmedal，2008）。如在粗空間分辨率的MODIS 數(shù)據(jù)中，難以直接從圖像中鑒別海洋白帽，目前多利用統(tǒng)計(jì)模型來(lái)估算白帽反射信號(hào)貢獻(xiàn)，提高M(jìn)ODIS 數(shù)據(jù)的大氣校正精度（Gordon和Wang，1994；Hu等，2000），因此，要從海洋遙感的高空間分辨率數(shù)據(jù)中（海洋遙感與陸地遙感在空間分辨率的需求與認(rèn)知上存在差異，不展開(kāi)討論）進(jìn)行白帽的識(shí)別提取、厘清海洋白帽的光學(xué)遙感特征。海洋白帽能在美國(guó)陸地衛(wèi)星（Landsat 8）30 m 空間分辨率的陸地成像儀OLI（Operational Land Imager）圖像中清晰識(shí)別（Kubryakov 等，2021），也能在歐空局哨兵2 號(hào)衛(wèi)星（Sentinel-2 A/B）10 m 空間分辨率的多光譜成像儀MSI（Multi Spectral Instrument）圖像中清晰展現(xiàn)（如圖1所示）。

圖1 海洋白帽的照片與遙感影像Fig.1 Oceanic whitecaps in photograph and remotely sensed images

開(kāi)展高空間分辨率海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)中海洋白帽的識(shí)別提取與定量反演研究，挖掘光學(xué)遙感數(shù)據(jù)在海洋環(huán)境動(dòng)力（如風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)等）監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力，能拓展海洋光學(xué)遙感的研究范疇。本研究基于Sentinel-2 MSI 高分辨率數(shù)據(jù)，進(jìn)行海面白帽覆蓋率的光學(xué)遙感反演，探索白帽覆蓋率對(duì)海面環(huán)境動(dòng)力背景的響應(yīng)，分析白帽覆蓋率反演算法的適用條件、不確定性和干擾因素；面向中國(guó)首個(gè)海洋水色業(yè)務(wù)衛(wèi)星星座（海洋一號(hào)C/D衛(wèi)星，HY-1C/D）的高空間分辨率光學(xué)載荷——海岸帶成像儀CZI（Coastal Zone Imager），開(kāi)展不同風(fēng)速背景下，CZI 圖像中白帽的可識(shí)別性研究，分析白帽反射信號(hào)在CZI各波段中的信號(hào)貢獻(xiàn)差異，討論海洋白帽在CZI數(shù)據(jù)中的存在特點(diǎn)；從而為國(guó)產(chǎn)自主海洋光學(xué)衛(wèi)星的精細(xì)應(yīng)用、海洋環(huán)境動(dòng)力與海氣交互監(jiān)測(cè)提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

選用Sentinel-2 衛(wèi)星的MSI 數(shù)據(jù)，其10 m 空間分辨率的影像上能夠清晰識(shí)別出海洋白帽。相對(duì)應(yīng)的背景風(fēng)速數(shù)據(jù)，選擇歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的ERA5 再分析風(fēng)速產(chǎn)品，其空間分辨率為0.25°、時(shí)間分辨率為1 h。數(shù)據(jù)選擇及預(yù)處理需基于如下幾點(diǎn)考慮：（1）先根據(jù)背景風(fēng)速優(yōu)選MSI 數(shù)據(jù)。白帽的產(chǎn)生需要一定的風(fēng)速條件，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，在6 m/s 以上的風(fēng)速會(huì)產(chǎn)生海洋白帽，風(fēng)速大于7—8 m/s 時(shí)白帽迅速增多（Monahan 和Zietlow，1969），為了保證在MSI 影像中檢測(cè)到白帽，本研究選擇8 m/s 以上風(fēng)速條件的影像。（2）對(duì)于高空間分辨率數(shù)據(jù)，太陽(yáng)耀光反射的影響較粗空間分辨率數(shù)據(jù)更為復(fù)雜（Wu 等，2022）。為了盡量避免耀光反射的影響，選擇MSI數(shù)據(jù)的θm大于40°的影像。θm為海面太陽(yáng)鏡面反射角與傳感器觀測(cè)角度之間的夾角，由傳感器與太陽(yáng)的幾何角度決定，是海面耀光反射強(qiáng)弱的直接指針，其大小可表征平均耀光反射的強(qiáng)弱，θm越大表示耀光反射越弱（Hu 等，2009；Lu 等，2016；Wen等，2018），θm的計(jì)算公式如下：

式中，θ0、θ和φ分別為太陽(yáng)天頂角、傳感器天頂角和相對(duì)方位角。（3）數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用ACOLITE（版本20190326）軟件對(duì)MSI L1C 級(jí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行瑞利校正獲得10 m 分辨率的數(shù)據(jù)（Rrc）。鑒于云會(huì)明顯干擾白帽覆蓋率的估算，因此選擇無(wú)云或少云的影像，對(duì)圖像中少量的云進(jìn)行掩膜，并對(duì)掩膜結(jié)果進(jìn)行5個(gè)像元的膨脹處理。

對(duì)中國(guó)東黃海2021年MSI 數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，研究主要使用MSI 842 nm 波段生成Rrc反射率產(chǎn)品，可忽略背景水體差異，具體區(qū)域和影像時(shí)間如圖2所示。圖2（a）、2（b）、2（c）分別由2景、5景、2 景MSI 影像拼接而成。由于影像數(shù)據(jù)的成像時(shí)間在2：16—2：41 UTC，因此將風(fēng)速產(chǎn)品2：00 UTC 及3：00 UTC的數(shù)據(jù)取平均。

2.2 海面白帽覆蓋率估算

光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，大氣頂層總輻亮度Lt可表示為

式中，Lr、La和Lra分別表示瑞利散射、氣溶膠散射、瑞利—?dú)馊苣z散射輻亮度，LWC示白帽反射輻亮度，Lw表示離水輻亮度，Lg表示耀光反射輻亮度，T、t分別為大氣直射、散射透過(guò)率（Gordon和Wang，1994）。根據(jù)公式：

可將輻亮度轉(zhuǎn)換為反射率，式（3）中R為反射率，L為輻亮度，F(xiàn)0為太陽(yáng)輻照度，θ0為太陽(yáng)高度角。海面反射率又分為受白帽影響及不受影響部分（Koepk，1984），結(jié)合式（2），海面反射率可表達(dá)為

式中，Rr、Ra和Rra分別表示瑞利散射、氣溶膠散射、瑞利—?dú)馊苣z散射反射率，Rwc示白帽反射率，Rw表示離水反射率，Rg表示耀光反射率，T、t分別為大氣直射、散射透過(guò)率，W為白帽覆蓋率（Whitecap coverage），表示海面被白帽覆蓋的部分占總面積的比例，由式（4）可得

式中，Rb=Ra+Rra+tRw，代表了來(lái)自背景海水與大氣的反射率貢獻(xiàn)。由于近紅外波段（842 nm）中離水輻亮度可以忽略（即tRw≈0），且忽略耀光反射的影響（圖2 中數(shù)據(jù)的θm均大于40°，則TRg= 0）。因此，針對(duì)圖2 中白帽覆蓋率可根據(jù)下式（6）進(jìn)行估算：

圖2 Sentinel-2衛(wèi)星MSI近紅外波段Rrc（842 nm）影像圖Fig.2 Sentinel-2 MSI near infrared Rrc（842 nm）images

近紅外波段白帽的反射率（Rwc）約為0.55（Koepke，1984；Frouin 等，1996 和2001），海洋白帽的光學(xué)特征相對(duì)穩(wěn)定，具有較為明確的光譜反射率特征（Kokhanovsky，2004；Garaba 和Dierssen，2018），而圖像上白帽反射率變化則是與圖像中白帽覆蓋率密切相關(guān)。近紅外波段大氣散射透過(guò)率（t）為0.7—0.8（Kneizys 等，1981），上述值僅可用于背景海水與大氣均勻穩(wěn)定且不受海面耀光反射干擾的區(qū)域。此外，利用式（6）進(jìn)行白帽覆蓋率（W）反演的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確的背景反射信號(hào)Rb的獲取。本研究中，假定在4 km×4 km的區(qū)域內(nèi)，海水和大氣的光學(xué)屬性是均勻的，對(duì)圖像進(jìn)行400×400（4 km×4 km）的窗口濾波，獲得窗口內(nèi)的最小值作為背景反射率，可進(jìn)一步計(jì)算得出圖像的白帽覆蓋率（W）。特別需要說(shuō)明的是，上述公式和參數(shù)有著嚴(yán)格的適用條件，本文原理分析中的數(shù)據(jù)邊界清楚，可以適用，但是在未來(lái)的實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中，還需要發(fā)展業(yè)務(wù)化應(yīng)用算法。

3 基于MSI影像的白帽覆蓋率估算與分析

3.1 白帽覆蓋率

基于MSI 842 nm 波段Rrc數(shù)據(jù)（圖2）反演的白帽覆蓋率如圖3所示，其中云、陸地、輻射沙脊等已經(jīng)被掩膜處理。白帽覆蓋率作為海面波浪破碎狀況的直觀體現(xiàn)，一方面反映了風(fēng)速這一主要?jiǎng)恿σ蛩?，與風(fēng)速大小呈正相關(guān)；另一方面，又受到海洋渦旋、內(nèi)波、鋒面等的調(diào)制（Monahan等，1983；Goddijn-Murphy 等，2011；Callaghan等，2008a）。如在圖3（a）中，2021年1月13日的白帽覆蓋率的變化主要受到海面風(fēng)速的影響，而在圖3（b）和3（c）中，在2021年1月27日和2021年2月21日的白帽覆蓋率在局部區(qū)域又受到海洋鋒面、渦旋等的影響（具體分析見(jiàn)3.3 節(jié)）?？傮w而言，圖3 中平均白帽覆蓋率在1%上下（對(duì)應(yīng)風(fēng)速8—12 m/s），這與白帽的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)（基于海面實(shí)拍照片或視頻等資料）分析結(jié)果較為接近（Blanchard，1983）。

圖3 基于MSI數(shù)據(jù)的白帽覆蓋率估算結(jié)果Fig.3 MSI images derived whitecap coverage

為了驗(yàn)證白帽覆蓋率算法的估算精度，本文針對(duì)圖2（a）中紅框框選出的12 個(gè)區(qū)域開(kāi)展精度評(píng)價(jià)。12 個(gè)500×400 像元驗(yàn)證區(qū)域的842 nm 波段Rrc圖像見(jiàn)圖4 第一和第三列，對(duì)這12 個(gè)區(qū)域圖像采用人工目視解譯的方法，通過(guò)選取合適閾值分割出圖像中的海洋白帽，并計(jì)算出該區(qū)域中的白帽覆蓋率（圖4 第二、第四列）。將12 個(gè)驗(yàn)證區(qū)域的算法反演結(jié)果與目視解譯結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析（如圖5所示），算法反演的白帽覆蓋率與目視解譯的白帽覆蓋率具有較好的一致性（R2=0.85），說(shuō)明提取結(jié)果的精度可靠驗(yàn)證擬合線低于1∶1 線，說(shuō)明本研究算法在弱耀光條件下存在一定的低估。

3.2 基于白帽覆蓋率的海面風(fēng)速反演

海面白帽是風(fēng)生波浪破碎的直觀表現(xiàn)，在其他海洋環(huán)境動(dòng)力影響較為均勻的區(qū)域，白帽覆蓋率與海面風(fēng)速（海面10 m 高處的風(fēng)速，U10）具有密切的統(tǒng)計(jì)關(guān)系（Monahan 和Muircheartaigh，1980；Anguelova 和Webster，2006；Anguelova 和Bettenhausen，2019）。基于海面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建“白帽覆蓋率—風(fēng)速”統(tǒng)計(jì)模型，有利于對(duì)區(qū)域海洋環(huán)境動(dòng)力等的深入研究。需要指出的是，本研究的重點(diǎn)在于能否反演出海面風(fēng)速，并與已有風(fēng)速產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，但基于本區(qū)域海面實(shí)測(cè)結(jié)果的“白帽覆蓋率—風(fēng)速”統(tǒng)計(jì)模型缺乏，因此選擇Monahan 和Muircheartaigh（1980）的白帽覆蓋率—風(fēng)速模型來(lái)反演海面風(fēng)速。模型公式如下：

式中，W代表白帽覆蓋率，U10為風(fēng)速，對(duì)其進(jìn)行變換可以給出風(fēng)速反演模型如下：

利用式（8）結(jié)合圖3（a）的海面白帽覆蓋率提取結(jié)果，可以得到該區(qū)域風(fēng)速反演結(jié)果（如圖6（a），空間分辨率為4 km），圖6（b）為該區(qū)域同時(shí)段的ERA5 海面再分析風(fēng)速產(chǎn)品（時(shí)間差＜15 min，空間分辨率為0.25°）。對(duì)比圖6（a）和6（b），整體風(fēng)速為東北方向風(fēng)速高，向西南方向風(fēng)速遞減，MSI推導(dǎo)的風(fēng)速結(jié)果因?yàn)榻K沿海輻射沙脊的影響會(huì)出現(xiàn)一些反演異常值（見(jiàn)圖6（a）左下角）。總體上，基于MSI 白帽覆蓋率反演的海面風(fēng)速與ERA5海面風(fēng)速產(chǎn)品的空間變化趨勢(shì)與風(fēng)速變化區(qū)間基本一致。給出二者的頻率累計(jì)曲線對(duì)比如圖6（c），用于進(jìn)一步評(píng)估風(fēng)速反演的精度。海面風(fēng)速的頻率累計(jì)曲線圖可以說(shuō)明，MSI白帽覆蓋率反演的海面風(fēng)速與ERA5 海面風(fēng)速產(chǎn)品變化基本一致，但MSI 反演的海面風(fēng)速略低于ERA5 風(fēng)速產(chǎn)品的值，二者之間的差異在風(fēng)速為10 m/s左右達(dá)到最大，為1.6 m/s，大部分差異在1 m/s 以內(nèi)，這主要是由于算法對(duì)MSI圖像中白帽覆蓋率的低估造成（圖5）。

圖5 目視解譯與算法估算白帽覆蓋率對(duì)比圖Fig.5 Comparison of visual interpretation and algorithmic estimation of whitecap coverage from MSI images

圖6 MSI白帽反演風(fēng)速及其與ERA5風(fēng)速產(chǎn)品的對(duì)比Fig.6 Comparison between whitecaps derived wind speed based on MSI images and wind speed product of ERA5

3.3 其他環(huán)境動(dòng)力對(duì)白帽覆蓋率的調(diào)制

海洋白帽主要反映的是風(fēng)生波浪的破碎過(guò)程，雖然海面風(fēng)場(chǎng)是白帽產(chǎn)生的首要因素，但風(fēng)生波浪也會(huì)被渦旋、內(nèi)波等其他海洋環(huán)境動(dòng)力所調(diào)制，從而改變白帽的發(fā)生概率（Thorpe 等，1987；Romero，2019）。圖7分別反映了海洋鋒面、渦旋、內(nèi)波和船只尾跡對(duì)白帽覆蓋率的影響：圖7左列為MSIRrc（842 nm）影像（圖7（a）與圖7（b）左列分別為圖2（b）和2（c）中紅框區(qū)域，圖7（c）左列為圖8（a）中紅框區(qū)域）；圖7右列為白帽覆蓋率。

MSI 842 nm 的開(kāi)闊海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)中，雖然該數(shù)據(jù)的觀測(cè)角度避開(kāi)了強(qiáng)耀光反射（圖2中數(shù)據(jù)的θm均大于40°），但在高空間分辨率光學(xué)影像中，海面耀光反射差異實(shí)際上仍存在，并對(duì)影像總信號(hào)有貢獻(xiàn)（Wu 等，2022）。如圖7（a）所示，海洋鋒線（圖中紅色虛線）兩側(cè)呈現(xiàn)明顯的水團(tuán)圖像特征差異，圖7（a）中白帽覆蓋率在不同水團(tuán)之間也表現(xiàn)出類(lèi)似的差異，雖然海水離水輻亮度差異可以忽略，但是白帽覆蓋率差異和耀光反射差異同時(shí)存在；圖7（b）和（c）反映了受海洋渦旋與內(nèi)波的影響，白帽覆蓋率會(huì)存在一定程度的升高。易于理解的是，相同風(fēng)速條件下，內(nèi)波的波峰處較其他位置，波浪更易于破碎而產(chǎn)生白帽（Thorpe等，1987；Kubryakov等，2021）。

圖7 不同海洋環(huán)境動(dòng)力對(duì)白帽的影響Fig.7 Influence of different marine environmental dynamics on whitecaps

海洋白帽是風(fēng)生波浪破碎的產(chǎn)物，這種波浪破碎也受到海面鋒面、渦旋、內(nèi)波等各種其他海洋動(dòng)力因素的調(diào)制，在高空間分辨率的MSI 影像上，海洋白帽及其覆蓋率所反映的海洋與大氣背景動(dòng)力特征能清晰展現(xiàn)。

3.4 耀光反射對(duì)白帽覆蓋率估算的影響

海面耀光反射差異一直是海洋光學(xué)遙感研究關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題（Cox 和Munk，1954；Jackson 和Alpers，2010；Kay 等，2009；Harmel 等，2018）?；诮?jīng)典統(tǒng)計(jì)模型（Cox 和Munk，1954）估算的耀光反射率，雖可以準(zhǔn)確描述粗空間分辨率衛(wèi)星光學(xué)遙感數(shù)據(jù)（如250 m 的MODIS 數(shù)據(jù)）中耀光反射的強(qiáng)弱；但在高空間分辨率的海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)中（如10 m 的MSI數(shù)據(jù)），耀光反射規(guī)律會(huì)有所不同（Wu 等，2022），表現(xiàn)出較大的離散性，無(wú)法通過(guò)統(tǒng)計(jì)模型或簡(jiǎn)單的空間濾波進(jìn)行剔除（Jackson 和Alpers，2010）。本研究白帽覆蓋率估算算法中的4 km × 4 km 窗口濾波方法，本質(zhì)是一種平滑處理（主要用于消除海水和大氣的影響），不能直接從總體反射率中有效消除耀光反射的影響，因此無(wú)法處理強(qiáng)耀光反射的圖像。

為了闡明耀光反射對(duì)海面白帽覆蓋率估算的影響，選擇2021年6月2日的6 景MSI 數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)預(yù)處理與圖2 和圖3 一致）。如圖8（a）中所示，θm從左到右逐漸減小（由32°減小到16°），耀光反射不斷增強(qiáng)；圖8（b）為算法估算的白帽覆蓋率，與耀光強(qiáng)度空間變化相似；圖8（c）為該區(qū)域同時(shí)段的ERA5風(fēng)速產(chǎn)品，在無(wú)明顯水團(tuán)、渦旋等海洋動(dòng)力環(huán)境的調(diào)制下，風(fēng)速與白帽覆蓋率的空間分異顯然不同（圖8（b））。此外，在相似風(fēng)速下（8—12 m/s），圖8（b）中強(qiáng)耀光反射下的白帽覆蓋率較圖3（a）的結(jié)果有一個(gè)數(shù)量級(jí)上的差異；對(duì)圖8（a）與圖8（b）做采樣分析，以θm為橫軸（圖8（d）），不難發(fā)現(xiàn)樣點(diǎn)的Rrc（842 nm）反射率與白帽覆蓋率（W）的變化趨勢(shì)一致。

圖8 Sentinel-2 MSI影像中白帽覆蓋率與耀光變化分析Fig.8 Whitecap coverage and sunglint variation in Sentinel-2 MSI images

海面耀光反射是白帽識(shí)別估算的主要干擾，本研究算法只適用于弱耀光反射下（θm大于40°）的MSI圖像，如何有效消除耀光反射的影響，也是今后亟待關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

4 CZI數(shù)據(jù)中海洋白帽的響應(yīng)

HY-1C/D 是中國(guó)首個(gè)海洋水色業(yè)務(wù)衛(wèi)星星座，CZI載荷能提供星下點(diǎn)空間分辨率為50 m、中心波長(zhǎng)位于460 nm、560 nm、650 nm 和825 nm 的4 波段海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)（沈亞峰 等，2020）。本文所用的CZI 數(shù)據(jù)均為L(zhǎng)2A 級(jí)的瑞利校正反射率產(chǎn)品（Rrc），由于像元的混合效應(yīng)，相對(duì)較低風(fēng)速條件下的白帽難以被CZI圖像有效識(shí)別，隨著風(fēng)速的增加，海洋白帽逐漸被有效檢測(cè)出，即CZI圖像中檢測(cè)出海洋白帽的最低風(fēng)速要大于MSI圖像。

圖9 為選取的開(kāi)闊海洋CZIRrc（825 nm）圖像，圖像都為海面弱耀光反射條件，海洋環(huán)境動(dòng)力影響不明顯，且涵蓋不同風(fēng)速條件下的影像，該區(qū)域同時(shí)段的ERA5風(fēng)速均已經(jīng)標(biāo)注在Rrc（825 nm）圖像上。對(duì)CZI圖像上的海洋白帽進(jìn)行識(shí)別并計(jì)算其覆蓋率，圖9（a）和圖9（b）中海洋白帽不能被有效識(shí)別；在較高風(fēng)速下（圖9（c）、（d）、（e）、（f））海洋白帽能夠從CZI 圖像上檢測(cè)出。50 m 空間分辨率CZI圖像中可識(shí)別的海面白帽，其所對(duì)應(yīng)的海面風(fēng)速約9 m/s 以上，隨著風(fēng)速的增加，其白帽覆蓋率也隨之增加（圖9（c）、（d）、（e）、（f）），這也反映了CZI數(shù)據(jù)具有對(duì)高風(fēng)速下的海面白帽覆蓋率進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)與估算的應(yīng)用潛力。

圖9 不同風(fēng)速條件下HY-1C/D CZI影像中的白帽及其目視解譯結(jié)果Fig.9 Whitecaps in HY-1C/D CZI images and corresponding visual interpretation results at different wind speed（U10）

為了進(jìn)一步分析闡明CZI圖像中的海洋白帽反射率與背景海水反射率的差異，本研究對(duì)圖9 中4 幅CZI 圖像（圖9（c）、（d）、（e）、（f））的4 個(gè)波段（460 nm、560 nm、650 nm 和825 nm），對(duì)其海洋白帽反射率與背景海水反射率分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖10所示。CZI 的4 個(gè)波段圖像中，白帽反射率均明顯高于背景海水反射率，反射率差異分別為5.8%、7.8%、8.3%和7.3%。

圖10 HY-1C/D CZI不同波段的海洋白帽與背景海水反射率差異Fig.10 Reflection difference between whitecaps and background seawater in different HY-1C/D CZI bands

5 結(jié) 論

海洋白帽是海面風(fēng)生波浪破碎的直觀表現(xiàn)，其區(qū)域性特征參數(shù)——白帽覆蓋率，不僅與海面風(fēng)速有著密切的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，也會(huì)受到其他海洋環(huán)境動(dòng)力的調(diào)制。海洋白帽對(duì)入射光具有較高的反射散射特征，是海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的大氣校正一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)空間分辨率的提高，海洋白帽能被有效的探測(cè)，從而開(kāi)展更為豐富的研究與應(yīng)用探索。本文針對(duì)Sentinel-2 MSI數(shù)據(jù)，分析海面白帽反射率的信號(hào)貢獻(xiàn)，利用一種用于弱耀光反射條件下的白帽覆蓋率估算方法，開(kāi)展MSI圖像上白帽覆蓋率反演?；贛SI圖像估算的不同區(qū)域海面白帽覆蓋率，與海面風(fēng)速的變化具有良好的空間一致性和統(tǒng)計(jì)關(guān)系，基于白帽覆蓋率估算的海面風(fēng)速與ERA5再分析海洋風(fēng)速產(chǎn)品對(duì)比驗(yàn)證表明，其相對(duì)偏差不大于1.6 m/s。此外，不同水團(tuán)、鋒面、渦旋、內(nèi)波等其他海洋環(huán)境動(dòng)力對(duì)海面白帽的調(diào)制作用，能顯著改變遙感數(shù)據(jù)反演的白帽覆蓋率；與此同時(shí)，MSI圖像中耀光反射對(duì)海面白帽遙感的干擾與影響也不容忽視。最后，基于HY-1C/D 衛(wèi)星CZI 載荷數(shù)據(jù)開(kāi)展海面白帽的響應(yīng)分析，結(jié)果表明：海面風(fēng)速大于9 m/s 時(shí)，在無(wú)其他海洋環(huán)境動(dòng)力的調(diào)制下，海面白帽可被50 m 空間分辨率的CZI 載荷所探測(cè)，且白帽覆蓋率隨著風(fēng)速的增加而增加；不同CZI波段圖像中，白帽反射率與背景海水反射率有5.8%—8.3%的差異。這表明，HY-1C/D 衛(wèi)星CZI 載荷可成為海洋白帽深入研究的可用數(shù)據(jù)源，能用于較高風(fēng)速下的海面風(fēng)速反演?？傊S著海洋光學(xué)遙感載荷空間分辨率的提升，通過(guò)海洋白帽的有效探測(cè)，能為海面風(fēng)場(chǎng)及其他海洋環(huán)境動(dòng)力監(jiān)測(cè)提供新的技術(shù)方法參考，也必將在海面風(fēng)場(chǎng)反演、海氣交換、海洋動(dòng)力環(huán)境研究等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

志 謝感謝美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院胡傳民教授、武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田禮喬教授、中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所邢前國(guó)研究員對(duì)本研究的指導(dǎo)；感謝歐空局和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的MSI和ERA5數(shù)據(jù)（https：//scihub.copernicus.eu/dhus/#/home，https：//cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#！/dataset/reanalysis-era5-single-levels？tab=form）；感謝國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心提供的CZI 數(shù)據(jù)（http：//www.nsoas.org.cn/）。