小入射角下海浪后向散射系数不对称性和各向异性分析验证

王晓晨，万剑华，张振华，孟俊敏，范陈清

(1. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3. 北京遥测技术研究所，北京 100076)



小入射角下海浪后向散射系数不对称性和各向异性分析验证

王晓晨1，2，万剑华1，张振华3，孟俊敏2*，范陈清2

(1. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3. 北京遥测技术研究所，北京 100076)

基于北京遥测技术研究所机载波谱仪实测数据以及ECMWF提供的风场数据，分析了不同风速条件下小入射角海浪平均后向散射系数不对称性与各向异性随入射角的变化特性，并对导致这一现象的原因进行了初步分析。结果表明：小入射角下，海浪平均后向散射系数随入射角增大呈现递减趋势并在18°时达到某一稳定值，之后基本维持不变；海浪后向散射系数不对称性与各向异性均随入射角增大呈现递增趋势，同样在18°增大至某一稳定值，之后基本维持不变；低风速条件下，海浪不对称性和各向异性与风速有关，且风速越大不对称性与各向异性越明显。

机载波谱仪；海浪；小入射角；不对称性；各向异性

1 引言

海浪作为一种复杂的风生重力波，按照成因可以分为重力波、毛细重力波和毛细波，其中重力波波长从几十厘米到几百米，主要是重力作用主导的大尺度波；毛细重力波波长约为几厘米，是由表面张力和重力混合作用，毛细波波长为毫米级，主要是表面张力作用，二者都为小尺度波。重力波描述的是宏观大尺度范围内海浪的分布特性，而毛细重力波和毛细波描述的是微观小尺度空间内海浪微细结构，研究海浪空间分布特性以及微细结构，对于理解海浪风成机制和内部动力过程，提高人类对于海洋的认识具有重要意义。海浪生成机制主要基于共振和平行流不稳定性理论，前者适用于海浪生成阶段，后者主要适用于海浪发展阶段[1—2]，由于波与波之间的相互作用，海浪中显著波峰附近波面前侧出现短重力波和毛细重力波，Gent与Talyor认为这些短波的分布增大了海表面的粗糙度改变了海面能量分布[3]，海浪长波的存在又表现在对短波的调制，因而可以通过探测海面后向散射系数得到海面调制长波以及短波的分布。目前，通过微波手段探测海浪主要包括合成孔径雷达(SAR)、高度计、散射计、波谱仪等。其中SAR采用大入射角斜视工作方式，散射计采用大入射角360°扫描工作方式，波谱仪采用小入射角360°扫描工作方式，近年来由于波谱仪具有波数截断效应小、散射模型简单便于计算、不需要额外的风场数据输入等优势[4]，逐渐成为海浪探测的重要手段。

关于海浪后向散射系数特性的研究，Simon在2000年利用双极化Ku波段机载散射计数据分析了HH、VV极化下和随入射角变化特性，并认为在中等以上入射角，Bragg散射会导致正的不对称性，而小入射角下的几何光学散射会导致负的不对称性[5]。Mouche等在2006年利用STORM(Système de Télédétection pour l’ Observation Radar de la Mer)数据，通过引入波与波之间非线性交互作用，分析了大入射角下短重力波和毛细重力波对雷达信号各向异性的影响[6]。储小青在2011年利用Ku波段TRMM(Tropical Rainfall Mapping Mission)降雨雷达数据分析了小入射角下和的分布特性[2]。然而由于现有遥感手段工作模式限制，目前国内外学者对于海浪后向散射系数的研究多为大入射角下情况下，波谱仪作为唯一一种在小入射角下进行方位向360°扫描海浪的设备，为分析小入射角下海浪后向散射系数提供了数据支持。

本文利用机载波谱仪实测数据分析了小入射角下海浪后向散射系数不对称性和各向异性。

2 实验数据

本文所选择的数据为北京遥测技术研究所机载波谱仪挂飞实验数据和ECMWF提供的风场数据。

本次实验机载波谱仪是由北京遥测技术研究所研制的一种脉冲雷达，其工作原理与STORM基本相同，均是在小角度下通过旋转天线进行360°扫描。不同的是，北京遥测研究所机载波谱仪采用脉冲技术，调频连续波技术需要两根天线用于发射接收信号，故系统设计较复杂，体积大，而脉冲技术可以克服以上缺点。另外，二者具体的雷达参数也有差异，北京遥测研究所机载波谱仪雷达参数如下表1所示。

表1 北京遥测研究所机载波谱仪雷达参数

北京遥测技术研究所波谱仪挂飞实验于2014年6月在黄海海域进行，期间飞行了多个架次，分别获取了海面回波功率、航向、天线方位角、飞机姿态以及GPS时间等数据，现场同步布放了波浪浮标进行验证，浮标位置为36°37′18″N，122°43′40″E，本文选择两个架次实验数据，对应实验区域与浮标具体位置如图1。

图1 航飞试验区域以及浮标位置Fig.1 Experimental flight and buoy location

欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)为全球用户提供的各类再分析数据，均可免费下载。其中本文用到的风场数据其空间分辨率为0.125°×0.125°，时间分辨率为6 h。

3 数据处理与结果分析

图2 回波功率随入射角变化Fig.2 Echo power as functions of incidence angles

本文对机载波谱仪回波信号进行预处理得到海浪后向散射系数，入射角选取4°～18°，得到某方位向与入射角关系如图2所示。5°～12°海浪后向散射系数随着入射角增大呈线性减小，15°以后基本稳定在某一定值。这是由于天线采用小角度入射，电磁波与海面作用可视为准镜面散射，海面回波较强，然而随着入射角的增大，布拉格散射的影响越来越显著，电磁波与海面的作用逐渐被布拉格散射主导。

由于波谱仪采用小入射角下旋转扫描的工作方式，因而可以观测到0°～360°整个方位向的分布，故可以用来分析海浪后向散射系数方位向不对称性和各向异性，本文统计了其中一圈数据4°～18°不同入射角下0°～360°方位向分布，如图3所示。

图3 不同入射角下方位向分布，a-h分别代表入射角4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°、18°Fig.3 As functions of azimuth in different incidence angles，a-h incidence angles equal 4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°、18°

由图3a所示，入射角为4°时，并没有出现明显的双峰现象，说明此时σ0在方位向的分布并没有明显的风向信息，这与储小青等的结论基本一致[7]，与Tran和Chapron的结论不一致[8]，Tran和Chapron通过分析高度计Jason-1数据认为在天底点存在较明显的方向信号。当入射角超过4°后，σ0方位向分布均出现明显双峰趋势，其中出现双峰位置方位向为顺风、逆风向，出现波谷位置方位向为侧风向，说明海浪后向散射系数σ0存在明显的各向异性。由ECMWF提供的风向约为135°，实际风向约为110°，可见顺逆风方向基本都是在波峰位置，这与散射计观测结果以及储小青等的结论一致，与Hesany等较不一致[9]，Hesany认为回波信号峰值并不总出现在顺逆风风向，二者会有一定偏差，当入射角位于6°～12°之间时，如图3b～d，此时顺风向σ0大于逆风向σ0，当入射角为12°时，如图3e，此时顺风向和逆风向σ0基本相近，当入射角超过12°后，如图3f～h，此时逆风向σ0大于顺风向，这与散射计观测结果基本一致[5]，两个波峰峰值存在一定偏差，说明σ0存在明显的海浪后向散射系数不对称性，而且当入射角小于12°时，σ0呈现负的不对称性，大于12°时呈现正的不对称性，这与Simon结论基本一致[5]。

为了更好地分析海浪后向散射系数特性，对σ0使用余弦函数展开：

(1)

3.1 平均后向散射系数

平均后向散射系数指海浪后向散射系数去除方位向特性后的结果，其表示海浪后向散射系数在整个方位向的平均值。依照式(1)得到不同风速下平均后向散射系数A0随入射角变化如图4所示。

图4 不同风速下后向散射系数A0随入射角变化Fig.4 A0 as functions of incidence angles in different wind speed

由图可见，海浪平均后向散射系数值A0受入射角影响较明显，A0随入射角增大逐渐减小且减小趋势越来越不明显，当入射角接近18°时，A0基本稳定至某一定值，这主要是因为在近天底点下，准镜面反射占主导地位，因而回波值最高，随着入射角的增大，布拉格散射的作用越来越明显，当入射角大于18°时，布拉格散射开始占主导地位，此时回波值基本为布拉格散射。而在3～5 m/s低风速条件下，A0基本不随风速发生较大变化，这是因为风对海面的影响主要是改变其粗糙度，即改变海面小尺度毛细重力波和短重力波的分布，总而言之，风的作用仅仅是对海浪后向散射系数方位向特性的影响，因而去除了方位向特性的平均后向散射系数基本不随风速发生变化，风对海面更多的是对海浪后向散射系数方位向特性(包括不对称性和各向异性)的影响。

3.2 不对称性

不对称性指逆风方向与顺风方向海浪后向散射系数值不同，二者不成对称分布的现象，是各向异性的一种特殊现象。其产生的原因主要是由于风吹拂海面时顺风向海面比较光滑，而逆风向海面比较粗糙，即逆风向海面小尺度毛细重力波和短重力波分布更多，在海浪后向散射系数数值上表示为顺风逆风出现差异，即不对称性。依照式(1)得到不同风速下不对称性A1随入射角变化如图5所示。

图5 不同风速下不对称性A1随入射角变化Fig.5 A1 as functions of incidence angles in different wind speed

由图5可见，海浪不对称性A1受风速和入射角影响，入射角在5°～12°之间时，海浪不对称性A1基本不随风速变化，当入射角超过12°之后，风速对A1的作用越来越明显，其中风速越大，平均后向散射系数A1越大。这与储小青的结论并不一致[2]，储小青认为在低速风条件下，不对称性A1随入射角呈递减趋势且全为负值，这可能与降雨雷达数据以及海况有关，降雨雷达数据仅仅覆盖了海浪后向散射系数负不对称性部分，没有对正不对称性部分进行比较。对于某一风速，A1随着入射角增大呈现缓慢增长的趋势，且增长趋势越来越明显，不对称性越明显，这说明增大入射角可以更好地观测小尺度海浪骑行毛细重力波和短重力波在海表面的分布。

3.3 各向异性

各向异性指海浪后向散射系数在不同方位向下其值不同的现象，其产生的原因主要是由于风吹拂海面，使得不同方位向下海面粗糙度出现变化，从而影响小尺度毛细重力波和短重力波概率密度分布函数，在海浪后向散射系数数值上表示为不同方位向其值出现差异，即各向异性。依照式(1)得到不同风速下各向异性A2随入射角变化如图6所示。

图6 不同风速下各向异性A2随入射角变化Fig.6 A2 as functions of incidence angles in different wind speed

由图6可见，海浪各向异性A2同样受风速和入射角影响，其中风速越大，后向散射系数A2越大。对于某一风速，当入射角在5°～12°之间时，A2随着入射角增大呈现缓慢增长的趋势，当入射角大于12°时，增长趋势越来越不明显，入射角增大至18°时，A2逐渐趋近一定值，此时各向异性最明显。这说明增大入射角可以更好地观测小尺度海浪骑行毛细重力波和短重力波在海表面的分布。

4 结论与总结

本文利用机载波谱仪挂飞试验数据，通过分析小入射角下海浪后向散射系数特性，得到以下结论：

(1)在低风速条件下，海浪平均后向散射系数值基本不随风速变化，对于某一风速条件下，散射值随入射角增大逐渐减小直至某一定值，此后不再随入射角变化。

(2)在低风速条件下，风速越大，海浪后向散射系数不对称性越大，并且对于某一风速条件下，不对称性随着入射角增大呈现缓慢增长的趋势，随着入射角变大增长趋势越来越不明显，最后稳定在一定值。

(3)在低风速条件下，风速越大，海浪后向散射系数各向异性越大，并且对于某一风速条件下，各向异性随着入射角增大呈现缓慢增长的趋势，且增长趋势越来越明显。

本文利用北京遥测技术研究所机载波谱仪挂飞实验数据，分析了小入射角下海浪后向散射系数特性，比较了不同风速下海浪平均后向散射系数、不对称性和各向异性，由于实验数据所限，本文并没有针对中、高风速条件下海浪散射系数特性分析，并且由于本次实验波谱仪没有进行定标，因而只分析了海浪后向散射系数特性的相对变化，下一步有望针对中、高风速条件下，分析海浪不对称性以及各向异性，并分析海浪破碎对二者的影响。

致谢：感谢北京遥测技术研究所提供机载波谱仪数据集以及ECMWF提供的风场数据。

[1]文圣常. 海浪理论与计算原理[M]. 北京：科学出版社， 1984．

Wen Shengchang. The Wave Theory and Calculation Principle[M]. Beijing：Science Press， 1984．

[2]储小青. 海浪波谱仪海浪遥感方法及应用基础研究[D]. 青岛：中国科学院海洋研究所， 2011．

Chu Xiaoqing. The algorithm and applied basic study on remote sensing of ocean wave spectrum for ocean wave spectrometer[D]. Qingdao：Institute of Oceanology，Chinese Academy of Science， 2011．

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Analysis and validation of wave backscatter coefficients asymmetry and anisotropy at low incidence angle

Wang Xiaochen1，2，Wan Jianhua1，Zhang Zhenhua3， Meng Junmin2，Fan Chenqing2

(1.SchoolofGeosciences，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China; 2.TheFirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 3.ChinaAcademyofSpaceTechnology，Beijing100076，China)

Based on the China Academy of Space Technology airborne spectrometer test data and the ECMWF wind data， the average backscattering cross sections， asymmetry and anisotropy changed with the incidence angle under different wind speed conditions， and the reason of wave backscatter asymmetry and anisotropy were preliminary analyzed. The results showed that at low incidence angle， the average backscattering cross section decreased as the incidence angle increased and reached a stable value at 18°，after essentially unchanged；wave backscatter asymmetry and anisotropy increased as incidence angle increased， reached a stable value at 18° ， after essentially unchanged; under small winds speed conditions， waves asymmetry and anisotropy were related with wind speed， and the anisotropy and asymmetry were more obvious as wind speed increased．

airborne spectrometer; wave; low incidence angle; asymmetry; anisotropy

2015-11-06；

2016-03-27。

国家863计划(SS2013AA091206)；国家自然科学基金青年基金(2013AA09A505，41406197)。

王晓晨(1990—)，男，山东省潍坊市人，主要从事波谱仪海浪反演研究。E-mail:15863014591@163.com

孟俊敏，男，研究员，主要从事海洋微波动力过程研究。E-mail:mengjm@fio.org.cn

P731.22

A

0253-4193(2016)11-0043-06

王晓晨，万剑华，张振华，等. 小入射角下海浪后向散射系数不对称性和各向异性分析验证[J]. 海洋学报， 2016， 38(11): 43-48， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.004

Wang Xiaochen， Wan Jianhua， Zhang Zhenhua， et al. Analysis and validation of wave backscatter coefficients asymmetry and anisotropy at low incidence angle[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(11): 43-48， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.004