小入射角雷达的海浪斜率反演研究

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海浪斜率是海浪的重要物理参数,海气界面的许多物理过程都与海浪斜率密切相关。准确获取海浪斜率具有重要的物理意义;而获取海浪斜率的高阶统计特性还能够为人们遥感得到一些目前难以获取的海洋参数提供新的途径。  尽管在多数情况下,海浪斜率概率密度函数(probability density function,PDF)被表达为高斯分布(Gaussian,G),但是目前已有研究表明,海浪斜率PDF是符合准高斯分布(quasi-Gaussian,QG)的,它可以用至四阶的Gram-Charilier级数表示。目前已有的准高斯海浪斜率PDF的统计参数经验公式都是基于光学方法得到的。由于微波相对于光波存在一定的截断效应,通常来说,微波遥感仅对波长大于2~5倍雷达波长的海浪敏感,因此基于光学方法所得的经验公式不能直接用于微波遥感,但是目前并没有一套专门适用于微波波段的斜率参数经验公式。针对这一需求,本文的研究目标是,利用实测的PR数据反演适用于微波波段(Ku波段)的准高斯海浪斜率,建立适用于微波波段的海浪斜率PDF参数经验公式。  反演海浪斜率PDF的高阶参数对反演模型准确性要求极高,因此本文提出一种新的高精度的小入射角雷达海面散射模型——“滤波的”至四阶几何光学(“filtered”geometrical optics of to fourth order,FGO4)模型,作为准高斯斜率PDF的反演模型。本文首先研究准高斯海浪斜率分布下物理光学(physical optics,PO)散射模型,计算得到小入射角下海面微波散射特性;接着介绍了传统的二阶几何光学模型(geometrical optics of to second order,GO2)、准镜像散射(quasi-specular,QS)模型,结合QS模型和至四阶几何光学(geometrical optics of to fourth order,GO4)模型的优势,提出了一种FGO4模型,并仿真验证了FGO4模型的高精度和模型中参数的物理意义。接着,通过仿真方法确定了FGO4模型用于准高斯海浪斜率反演时的风速及入射角适用范围。  本文另一个重要研究内容是基于微波遥感实测数据的斜率反演,选用的数据集是Ku波段小入射角星载雷达降雨雷达(precipitation radar,PR)数据,利用所提的FGO4模型和二维非线性最小二乘拟合方法,从PR的实测数据中,反演出准高斯斜率概率密度分布的各个统计参数,并且建立了在Ku波段下,准高斯海浪斜率概率密度函数中所有的七个参数随风速变化的经验公式。同时,我们也研究了不同海况(涌浪或风浪条件下)、不同风向/浪向夹角对斜率概率密度函数中各参数的影响。
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