高分三號衛星對海浪的首次定量遙感*

楊勁松 任 林 王 雋

(國家海洋局第二海洋研究所 衛星海洋環境動力學國家重點實驗室 杭州 310012)

高分三號(GF-3)是我國首顆C頻段多極化高分辨率微波遙感衛星, 于2016年8月10日在太原衛星發射中心成功發射。GF-3 SAR衛星入射角范圍約為20°—50°, 具備單極化、雙極化和全極化等多極化工作能力, 還是世界上成像模式最多的SAR衛星, 具有12種成像模式。不僅涵蓋了傳統的條帶、掃描成像模式, 而且可在聚束、條帶、掃描、波浪、全球觀測、高低入射角等多種成像模式下實現自由切換, 既可以探地, 又可以觀海, 達到“一星多用”的效果。

近日, 國家海洋局第二海洋研究所衛星海洋環境動力學國家重點實驗室利用首批 GF-3合成孔徑雷達(SAR)遙感數據(圖 1)對夏威夷西北部附近太平洋海域的海浪進行了首次定量分析和反演研究(圖 2)。

圖1為GF-3 SAR的灰度圖像, 成像時間為2016年9月2日8:30 (GMT), 衛星此時飛行速度約為 7.6km, 極化方式為VV極化, 飛行方向為降軌, 空間分辨率為8m×8m, 中心入射角為28.32°。由圖1可以看出, SAR圖像上存在明顯的黑白相間的海浪條紋, 說明海浪在圖像上能夠順利成像。通過提取灰度圖像上的調制信息, 并作傅里葉變換分析, 可得到包含海浪信息的圖像譜。進一步, 基于經典的Hasselmann SAR海浪成像模型的準線性形式, 同時估計傾斜調制、水動力調制和聚束調制等三種海浪調制函數(MTF), 可以利用圖像譜反演得到海浪譜, 此時的海浪譜主要為較長波長的涌浪信息,至于較短波長的海浪信息提取, 由于受到方位向截斷效應的影響, 則需要引入初猜譜加以補償實現。

圖2為圖1反演的海面涌浪參數。從圖2可以看出, 該海域海浪由西北向東南傳播(即由外海向近岸傳播), 平均波長約200m, 有效波高從2.5m到4.0m不等, 能夠反映浪場的分布差異。由于沒有同步的現場觀測資料和其他衛星遙感資料, 本文將這些結果與歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的ERA-Interim再分析數據進行了比對。初步反演與比對結果表明, 兩者有較好的一致性, 但本文的反演結果反映了更多的細節, 顯示GF-3 SAR有能力對海面涌浪信息進行高分辨率的觀測; 同時, 再次表明ERA-Interim再分析數據低估了有效波高, 因此GF-3衛星的發射將有利于提高全球海浪的遙感觀測水平。

高分三號; 合成孔徑雷達; 海浪

圖1 GF-3 SAR的灰度圖像Fig.1 Gray scale image from GF-3 SAR

圖2 圖1反演的海面涌浪參數Fig.2 The retrieved ocean waves from Fig.1