星载SAR遥感图像反演海洋大气边界层高度

范开国，黄韦艮，贺明霞，傅 斌，施英妮

1 中国人民解放军91039部队，北京 102401

2 国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室，杭州 310012

3 中国海洋大学海洋遥感研究所，青岛 266100

4 中国人民解放军61741部队，北京 100094

星载SAR遥感图像反演海洋大气边界层高度

范开国1，2，黄韦艮1＊，贺明霞3，傅 斌2，施英妮4

1 中国人民解放军91039部队，北京 102401

2 国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室，杭州 310012

3 中国海洋大学海洋遥感研究所，青岛 266100

4 中国人民解放军61741部队，北京 100094

本研究将边界层相似理论与对流理论应用到具有海洋大气边界层（Marine Atmospheric Boundary Layer，MABL）对流特征的星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）遥感图像，探讨了星载SAR遥感图像描述海气应力作用下水平扰动尺度变化的潜在可能性.针对具有三维对流涡旋Cell和二维水平滚轴涡旋Roll特征的星载SAR遥感图像，反演了中国海海域MABL高度，并与同步实验获取的MABL高度结果进行对比.结果表明，利用具有对流特征的星载SAR遥感图像反演MABL高度是可行的，展示了以高分辨率、大面积观测为特点的星载SAR遥感图像探测MABL的广阔前景.

SAR，海洋大气边界层，相似理论，对流理论

1 引 言

SAR遥感图像的海面后向散射强度的变化很大程度上依赖于海面波谱中与SAR工作波长相近的部分.海洋和大气现象对海面波谱的影响，在一定条件下可以成像于海面SAR遥感图像.通常观测的大气现象包括：边界层对流、对流风暴以及由海岸地形或海气温差等引起的各种大量的中尺度环流.

千米尺度的海洋大气边界层对流是一种常见的大气现象，是在海洋表面虚位温高于底层大气虚位温的位置，由扰动动能的浮力效应形成.由于空气的垂直运动，对流涡旋中高动量的下降气体向下传输到近海面，导致近海面层的垂直风切变增加，以阵风的形式叠加在平均风场上，从而使下降气流区域的海面粗糙度增大，在SAR遥感图像中形成了高后向散射强度区.反之，对流涡旋的上升区域对应于SAR遥感图像中的低后向散射强度区.高分辨率的星载SAR遥感图像足可以描述这种由浮力效应导致的水平变化的扰动尺度.

大气边界层对流的结果主要有两种形式，三维对流涡旋Cell和二维水平滚轴涡旋Roll.理论和观测结果都表明，三维对流涡旋Cell通常出现在低风速条件下，二维水平滚轴涡旋Roll在强风条件下更加普遍.Deardorff［1］针对观测结果给出了理论解释，认为风速和海气温差对对流现象出现的形式起决定作用，在给定风速条件下，海气温差越大，就越可能形成三维对流涡旋Cell.

两种边界层对流现象都是基于高分辨率SAR气象学的重要研究目标.Sikora等［2－4］论述了三维对流涡旋Cell在SAR遥感图像上的斑点状后向散射特征，Mourad［5］对二维水平滚轴涡旋Roll的线性特征SAR遥感图像给出了解释.Young等［6－7］利用具有三维对流涡旋Cell特征的SAR遥感图像反演得到了MABL高度及其浮力通量等其他扰动统计参数，Alpers等［8－9］利用具有二维水平滚轴涡旋Roll特征的SAR图像反演了MABL高度.由于气溶胶粒子主要来源于地球表面，故MABL中富集气溶胶.Lidar可以探测到MABL气溶胶后向散射信号和梯度变化，得到高分辨率的MABL剖面结构特征，利用二次微分法处理探测的气溶胶后向散射信号，可以获取MABL高度.

本文利用具有三维对流涡旋Cell和处于热不稳定状态的二维水平滚轴涡旋Roll对流特征现象的星载SAR遥感图像，分别获取了三维对流涡旋Cell的特征长度和二维水平滚轴涡旋Roll的平均水平波长，根据边界层相似理论与对流理论得到了MABL高度，首次对二者反演的MABL高度进行对比，同时利用探空资料数据、Lidar实验获取的MABL高度进行验证分析.其结果显示二者符合较好，为后继以SAR、探空资料数据与Lidar为基础的集成技术探测MABL特征提供了参考.

2 SAR遥感图像反演MABL高度方法

利用三维对流涡旋Cell的空间尺度和密度特征得到垂直于风向方向的平均一维水平能量谱，通过谱分析法［10］确定小尺度峰值波长，即三维对流涡旋Cell的特征长度λCell，根据边界层相似理论提供的λCell与边界层高度Zi1.5倍定量关系得到MABL高度［11］.

二维水平滚轴涡旋Roll通常用来求解风向，也利用二维水平滚轴涡旋Roll的空间尺度特性，得到垂直于风向方向的二维水平滚轴涡旋Roll平均水平波长λRoll，在热不稳定MABL情况下，根据线性Rayleigh－Benars对流理论，利用2.8倍定量关系［11］，得到MABL高度.图1为SAR遥感图像反演MABL高度的流程.

图1 星载SAR遥感图像反演MABL高度流程Fig.1 Flowchart of the MABL depth retrieval from SAR image

基于星载SAR遥感图像反演MABL高度流程，首先对SAR遥感图像进行Lee滤波以消除其固有的斑点噪声.由于海面平均风场的存在，SAR遥感图像上呈现出具有线性排列的斑点状后向散射特征（三维对流涡旋Cell）或线性的风条纹纹理特征（二维水平滚轴涡旋Roll），因此可根据SAR遥感图像低波数能量谱获取海面风向，但此方法获取的海面风向具有180°模糊，该海面风向的不确定性，可通过SAR遥感图像本身信息或其他风场提供的信息加以消除［12］.

利用具有三维对流涡旋Cell特征的SAR遥感图像反演MABL高度时，需要对SAR遥感图像进行辐射定标，得到雷达海面后向散射强度，以消除SAR侧视所引起的能量值分布不均匀的现象.同时将遥感图像分辨率降为50m，消除高频信号对小尺度峰值波长信息的影响.

此外，SAR遥感图像中不仅包含了大气对流引起的大气现象，也包含了许多大尺度、中尺度等海洋现象，可采用尺度分离的方式将三维对流涡旋Cell现象之外的特征滤除.三维对流涡旋Cell使得海表面风场模式发生变化，导致海面粗糙度发生相应变化，从而SAR遥感图像很大程度上体现海面风场模式的变化特征，因此可利用谱相似性原理分析风速谱得到图像特征尺度分离的依据［10］.在体现大气现象的伽马中尺度和小尺度之间的谱隙对应的尺度大约是5Zi［13］.设600m为实验海域MABL的平均高度，则600m与3000m为尺度分离时的特征尺度，从而确保将大尺度和中尺度对一维水平能量谱的影响去除而不影响小尺度峰值波长信息.

最后采用双线形插值的方法将尺度分离后的SAR遥感图像旋转到沿海面风向方向的自然坐标系，并在（k×log（S（k））、log（k））双对数坐标系下，得到垂直于风向方向的平均一维水平能量谱，确定三维对流涡旋Cell的特征长度，根据边界层相似理论得到MABL高度.

对垂直于风向方向具有二维水平滚轴涡旋Roll特征的SAR遥感图像要进行抽样平均，降低遥感图像分辨率，消除高频信息的影响，更好的体现条纹特征.最后滑动平均滤波后的平均一维水平灰度值确定平均水平波长.在热不稳定MABL情况下，根据线性Rayleigh－Benars对流理论得到MABL高度.

3 实例研究与验证分析

3.1 实例一

图2a是青岛近海分辨率为25m的ENVISAT ASAR遥感图像，成像时间为2005－01－14 21∶41（BJT）.从图中截取具有三维对流涡旋Cell特征的遥感子图像作为实例研究的数据（图2b所示），可见截取的SAR遥感子图像具有线性排列斑点状的海面后向散射特征.

分析截取的SAR遥感子图像低波数能量谱，并基于分析图2a中落山风所导致的近岸海域SAR遥感图像呈亮色的信息确定风向为西北风（图3所示）.图4是进行特征尺度分离后的SAR遥感子图像，可以看出，相比图2b更好地体现斑点状海面后向散射特征.

将特征尺度分离后的星载SAR遥感子图像（图4）进行快速傅里叶变换，得到垂直于风向方向的平均一维水平能量谱，判断三维对流涡旋Cell的特征长度为1560m（图5a）.根据边界层相似理论提供的λCell与边界层高度Zi1.5倍定量关系，得到MABL高度为1040m.

SAR遥感图像计算得到的MABL高度结果与同步Lidar获取的MABL高度（图5b）及探空资料数据位温剖面（图5c）进行验证分析.表1列出了进行同步实验的相关地理位置和MABL探测高度.

图2 （a）ENVISAT ASAR遥感图像；（b）具有三维对流涡旋的星载SAR遥感子图像Fig.2 （a）ENVISAT ASAR image and（b）sub SAR image with three dimensional convectional cells

图3 星载SAR遥感子图像低波数能量图与海面风向Fig.3 Energy spectrum of sub SAR image and the wind direction

图4 特征尺度分离后的星载SAR遥感子图像Fig.4 Diagnostic scale－separated sub SAR image

图5 （a）垂直于风向的一维水平能量谱；（b）青岛海滨Lidar获取的MABL高度；（c）青岛气象台探空资料数据位温剖面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

通过表1可以看出，星载SAR遥感图像反演的MABL高度比Lidar获取的MABL高度偏低，而气象探空资料估计的MABL高度较高.λCell与Lidar获取的MABL高度比值为1.35，接近1.5，与气象探空资料相比，SAR遥感图像反演的MABL高度误差达到14%，而Lidar获取的结果误差为5%.

3.2 实例二

图6 （a）ENVISAT ASAR星载SAR遥感图像；（b）具有三维对流涡旋Cell特征的星载SAR遥感子图像；（c）具有二维水平滚轴涡旋Roll的星载SAR遥感子图像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和气象探空资料获取的MABL高度的比较Table 1 The comparison between SAR，Lidar and weather data

图6a是2006年春季SOLAS黄海实验同步ENVISAT ASAR遥感图像，图像分辨率为25m，成像时间是2006－04－27 21∶31（BJT）.从该遥感图像左下方到左上方可以观测到二维水平滚轴涡旋Roll到三维对流涡旋Cell两种对流现象的转变，单纯从遥感图像的灰度值可以初步判断遥感图像左下方海域的风速值高于左上方海域的风速值.关于两种对流方式之间转变的定量关系，将会在以后的研究中展开.

通过分析该研究海域SAR遥感子图像低波数能量图，判断风向为西南风向.从该遥感图像中分别截取具有三维对流涡旋Cell特征的遥感子图像（图6b）和垂直于风向方向上具有二维水平滚轴涡旋Roll特征的遥感子图像（图6c）作为实例研究数据.基于三维对流涡旋Cell特征的SAR遥感子图像，反演得到该海域MABL高度为722m.

二维水平滚轴涡旋Roll在SAR遥感图像上体现为黑白相间的条纹，条纹间的间距一般在1～8km之间.基于星载SAR遥感图像反演MABL高度流程，将具有Roll特征的SAR子图像平滑后的平均一维灰度值，利用其空间特性得到平均水平波长为1896m（图7所示）.

图7 滤波后的平均一维灰度值Fig.7 Filtered mean one dimensional intensity

表2 现场实验数据给出的海洋表面温与底层大气温度Table 2 The potential temperature from the In－situ experiment data

根据SOLAS黄海实验现场实验数据表明（表2所示），该时刻海洋表面虚位温高于底层大气的虚位温，即海气温差Tsea－air＞0，则MABL处于热不稳定状态.根据二维水平滚轴涡旋Roll水平波长与MABL高度在热不稳定条件下的线性Rayleigh－Benars对流理论，得到该海域MABL为677m.

由于Lidar探测位置与SAR遥感图像中心位置距离大约270km，所以Lidar获取的MABL高度不能作为定量验证的标准.根据香港天文台2006－04－27 08∶00提供的天气状况信息，Lidar数据可以作为SAR遥感图像反演的MABL高度参考值［14］.表3给出进行同步实验的相关地理位置和MABL探测高度.

表3 SAR和Lidar所探测的MABL高度比较Table 3 The comparison between SAR and Lidar

从表3可以看出，利用具有三维对流涡旋Cell特征的SAR遥感子图像反演的MABL高度与利用具有二维水平滚轴涡旋Roll特征的SAR遥感子图像反演MABL高度结果均高于Lidar获取高度.将Lidar获取的MABL高度设为SAR成像位置MABL的高度，得到λRoll与Lidar获取MABL高度比值为3.01，介于实验观测比值2～6之间［9］，与Stull［11］提到的比值3最为接近.λCell与Lidar获取的MABL高度比值为1.7，在实验经验比值范围1～5之间［2］，接近1.5.

4 分析与结论

本文通过具有三维对流涡旋Cell和二维水平滚轴涡旋Roll特征的星载SAR遥感图像反演了MABL高度，首次对二者反演的MABL结果进行比较，结果吻合较好.同时首次提出利用Lidar获取的MABL高度验证星载SAR遥感图像反演的MABL高度，为SAR、Lidar与探空资料数据集成技术探测MABL特征进行了首次尝试.

通过本文表1与表3可以看出，SAR遥感图像反演的MABL高度与Lidar获取的MABL高度结果虽然基本一致，但有一定的出入.这可能由以下因素造成：（1）λCell／Roll与MABL高度的定量比值要求在实测的风向条件下，而本文的海面风向是通过对SAR遥感子图像处理得到，与实际风向会有一定的出入，影响MABL高度反演结果.（2）对SAR遥感图像进行快速傅里叶变换得到垂直于海面风向方向的平均一维水平能量谱时，由于风向与实际风向的出入而引入沿风向方向的剪切力对最小峰值信息造成的失真，及能量谱离散化过程中由于分辨率限制导致最小峰值的偏差.（3）尺度分离过程中特征尺度的选择，及其根据先验知识选择的图像旋转到自然坐标系下存在斑点状后向散射特征的不均匀性问题，都会引入一维水平能量谱多尺度的峰值信息.而通过平均得到的一维水平能量谱和一维灰度值，也会降低低波数能量谱的可信度和空间分布信息.最后，Lidar测量气溶胶后向散射信号及其通过探空资料数据得到MABL高度过程中，存在的系统误差与二者测量时刻的时间延迟及空间间距也会对验证分析结果产生一定的影响.

本研究通过实例研究与验证分析展示了以高分辨率、大面积观测为特点的星载SAR遥感图像探测MABL的广阔前景，同时表明可利用探空资料、Lidar的高精度剖面测量MABL结果，实时、同步地校正星载SAR遥感图像大面积观测MABL的定量反演结果，为后继以SAR、探空资料与Lidar为基础的集成技术探测MABL特征提供了参考.

（References）

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［3］ Vesecky J F，Luding F L，Daida J M，et al.Seagulls and SAR：atmospheric convection effects in SAR images over the Ocean.IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium，1996，2：891－892.

［4］ Romeiser R，Ufermann S，Androssov A，et al.On the remote sensing of oceanic and atmospheric convection in the Greenland Sea by synthetic aperture radar.J.Geophys.Res.，2004，109：C03004.

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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，FU 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

国家自然科学基金青年科学基金项目（41106155），山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目（2010BSA13015）和海洋公益性行业科研专项经费项目（201105001）联合资助.

范开国，男，1981年生，主要从事SAR海洋遥感研究.E－mail：van.fkg＠tom.com

＊通讯作者黄韦艮，男，1955年生，研究员，博士研究生导师，主要从事海洋遥感技术与应用研究.E－mail：wghuang＠mail.hz.zj.zn

范开国，黄韦艮，贺明霞等.星载SAR遥感图像反演海洋大气边界层高度.地球物理学报，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.

（本文编辑 汪海英）