1、8.1 卫星和散射计（卫星和散射计（Satellite&Scatterometer）8.2 标准化雷达后向散射截面标准化雷达后向散射截面 （Normalized Radar Backscatter Cross Section）8.3 电磁波在粗糙海面的散射电磁波在粗糙海面的散射 （Scatter of EM Waves at a Rough Sea Surface）8.4 经验模型（经验模型（Empirical Model）8.1 卫星和散射计卫星和散射计（Satellite&Scatterometer）散射计（散射计（scatterometer）是一种专门监测全球海表面风的）是一种专门监测全
2、球海表面风的主动微波雷达（主动微波雷达（active microwave radar）。使用卫星携）。使用卫星携带的散射计可获得全天候、高分辨率的全球海洋近表面风资带的散射计可获得全天候、高分辨率的全球海洋近表面风资料。料。卫星卫星资助者资助者散射计散射计算法算法QuikSCAT(1999)NASASeaWinds(“海风海风”)美国宇航局最新设计的双幅侧扫描的美国宇航局最新设计的双幅侧扫描的Ku-波段波段/13.4GHz散射计，刈幅为散射计，刈幅为1800km，每天能覆盖，每天能覆盖地球地球90%的面积。的面积。ADEOS II(2002/122003/10)JAPANSeaWindsADE
3、OS I(1996/91997/6)JAPANNSCAT美国宇航局的第一部双幅侧扫描的美国宇航局的第一部双幅侧扫描的Ku-波段波段/13.995GHz散射计散射计ERS1(1991)ERS2(1995)ESAAMI-SCAT 模式模式属于单幅侧扫描的属于单幅侧扫描的C-波段波段/5.3GHz垂直发射垂直接垂直发射垂直接收收(VV)雷达，刈幅为雷达，刈幅为500kmCMOD3CMOD4CMOD5Seasat-A(78/778/10)NASASASS(Seasat-A Satellite Scatterometer)属于单幅侧扫描的属于单幅侧扫描的Ku-波段垂直发射垂直接收波段垂直发射垂直接收(V
4、V)和水平发射水平接收和水平发射水平接收(HH)雷达雷达SASS-SASS-Skylab(19731974)NASA散射计散射计图图8-1显示美国宇航局显示美国宇航局JPL给出的给出的“QuikSCAT每日风况报道每日风况报道”的一个例子的一个例子该图显示了在西北太平洋日本附近海域有一个逆时针旋转的气旋，最大风速达该图显示了在西北太平洋日本附近海域有一个逆时针旋转的气旋，最大风速达到约到约50节（节（knots）。借助于风的近实时卫星遥感数据，并利用大气及海洋数）。借助于风的近实时卫星遥感数据，并利用大气及海洋数值预报模型，可以改进全球和近海天气预报，改进风暴预警和监测水平。值预报模型，可以改
5、进全球和近海天气预报，改进风暴预警和监测水平。卫星散射计反演风速会出现多组解卫星散射计反演风速会出现多组解一般地，卫星地面站数据处理中心给出的散射计海面风的产一般地，卫星地面站数据处理中心给出的散射计海面风的产品不限于一组解。例如，欧空局品不限于一组解。例如，欧空局ERS1/2卫星卫星AMI-SCAT散散射计海表面风的产品一般给出有四组解。射计海表面风的产品一般给出有四组解。这是因为散射计测量的直接要素并不是风，而是海面上风诱这是因为散射计测量的直接要素并不是风，而是海面上风诱导的导的重力重力毛细波毛细波。在这些风诱导的短波与电磁波的布喇格。在这些风诱导的短波与电磁波的布喇格共振（共振（Bra
6、gg-resonance）表现上，逆风和顺风方向的差）表现上，逆风和顺风方向的差别不明显。其次，风速和风向不是一个未知量，它们构成两别不明显。其次，风速和风向不是一个未知量，它们构成两个未知量。第三，风和海表面波浪的随机性和湍流使得波浪个未知量。第三，风和海表面波浪的随机性和湍流使得波浪能量分布并不总是沿风向对称分布的。当然，还有其他各种能量分布并不总是沿风向对称分布的。当然，还有其他各种原因例如大气的稳定性问题、影响波浪的风区问题以及反演原因例如大气的稳定性问题、影响波浪的风区问题以及反演模式的优劣等问题。模式的优劣等问题。上述原因造成散射计遥感风速的一个普遍问题是，风速和风上述原因造成散射
7、计遥感风速的一个普遍问题是，风速和风向的反演结果经常是多解的和模棱两可的向的反演结果经常是多解的和模棱两可的（amphibolous）。欧空局欧空局ERS1/2卫星采用前、中、后三个天线依次探测海洋上同一个卫星采用前、中、后三个天线依次探测海洋上同一个25km25km的面积元，即同一个面积元被连续探测三次，三个天线发出的电的面积元，即同一个面积元被连续探测三次，三个天线发出的电磁波束在海面的投影与卫星在海面的轨迹分别有磁波束在海面的投影与卫星在海面的轨迹分别有45o、90o和和135o的夹角。对的夹角。对同一个点元，三个天线探测的入射角也各不相同，入射角的分布范围是同一个点元，三个天线探测的入
8、射角也各不相同，入射角的分布范围是18o到到58o。依据反演的算法，每个天线的测量给出一个方程，三个天线的测量给出。依据反演的算法，每个天线的测量给出一个方程，三个天线的测量给出的三个方程组成一个方程组。的三个方程组成一个方程组。通过与现场浮标测量比较，人们发现：遵照最小二乘法计算出的方程组的解并通过与现场浮标测量比较，人们发现：遵照最小二乘法计算出的方程组的解并不总是真实的物理解，具有第二、第三或者第四小误差的解可能符合真实的物不总是真实的物理解，具有第二、第三或者第四小误差的解可能符合真实的物理条件。从散射计海面风产品的多组解挑选最佳解是用户的工作；当然，第一理条件。从散射计海面风产品的多
9、组解挑选最佳解是用户的工作；当然，第一组解一般情况下是最佳解。当用户发现问题时，需要从其它备选解中寻找真实组解一般情况下是最佳解。当用户发现问题时，需要从其它备选解中寻找真实解。解。8.2 标准化雷达后向散射截面标准化雷达后向散射截面（Normalized Radar Backscatter Cross Section）卫星发出的电磁波向下传播，遇卫星发出的电磁波向下传播，遇海面后向散射的电磁波携带着海海面后向散射的电磁波携带着海面的信息，这些信息连同噪音被面的信息，这些信息连同噪音被雷达接收。雷达接收。图图8-2是描述散射计的雷达波束是描述散射计的雷达波束在海面投射的几何示意图，其中在海面投
10、射的几何示意图，其中是入射角，是入射角，R是天线到被探测元是天线到被探测元的距离，的距离，A是雷达波束照射到海是雷达波束照射到海表面的面积。表面的面积。雷达方程（雷达方程（Radar Equation）雷达方程的基本形式雷达方程的基本形式是是 (8-1)式中式中PR是接收的雷达功率（单位是接收的雷达功率（单位Watt），），PT是发射的雷达功率（单位是发射的雷达功率（单位Watt），），GT是天线传输能量的增益，是天线传输能量的增益，AE是天线的有效面积（单位是天线的有效面积（单位m2）。）。是对应被探测是对应被探测元的雷达后向散射截面（单位元的雷达后向散射截面（单位m2）。）。天线接收电磁波
11、的能量增益天线接收电磁波的能量增益GR与天线的有效面积与天线的有效面积AE的关系是的关系是 (8-2)式中式中 是电磁波的波长。将（是电磁波的波长。将（8-2）代入到（）代入到（8-1），公式（），公式（8-1）变为）变为雷达方程的一般形式雷达方程的一般形式 (8-3)2244RARGPPETTRE2RA4G432)4(RGGPPRTTR根据公式（根据公式（8-3），对应被探测面积元的雷达后向散射截面），对应被探测面积元的雷达后向散射截面（单位（单位m2）可表为）可表为 (8-4)单位面积的雷达后向散射截面单位面积的雷达后向散射截面0 是无量纲的，它的定义是是无量纲的，它的定义是 (8-5)0
12、 可由接收功率和发射功率比值表示；将（可由接收功率和发射功率比值表示；将（8-5）代入（）代入（8-4）获得）获得0的表达式的表达式 (8-6)因为因为0 是无量纲的，故一般地被称为标准化雷达后向散射截面是无量纲的，故一般地被称为标准化雷达后向散射截面NRCS，通俗地也被称为散，通俗地也被称为散射系数（射系数（scattering coefficient）。研究表明，这个系数与海面粗糙度（）。研究表明，这个系数与海面粗糙度（sea surface roughness）有关，海面粗糙度由海面风（）有关，海面粗糙度由海面风（sea surface wind）决定，所以）决定，所以对对0 的观测的观
13、测可以间接地计算获得海面风可以间接地计算获得海面风。由于由于0变化范围太大，我们经常用变化范围太大，我们经常用0（dB）表示标准化雷达后向散射截面表示标准化雷达后向散射截面NRCS，即，即 (8-7)式中左侧代表用式中左侧代表用dB（分贝）表达的（分贝）表达的0 dB，右侧代表原始定义的，右侧代表原始定义的0。如果。如果0是是100，0 dB就是就是20；如果；如果0是是0.001，0 dB就是就是30。这里请注意，分贝（。这里请注意，分贝（dB）仅仅是数学）仅仅是数学单位，它不代表物理上的量纲。单位，它不代表物理上的量纲。2RT43TRGGR)4(PPA00AdAAGGR)4(PP2rt43
14、tr0)log(10dB00式中式中A是海面被探测的面积，是海面被探测的面积，R是是卫星与被探测点之间的距离。卫星与被探测点之间的距离。8.3 电磁波在粗糙海面的散射电磁波在粗糙海面的散射（Scatter of EM Waves at a Rough Sea Surface）8.3.1 镜面反射理论（镜面反射理论（Specular Reflection Theory）8.3.2 海表面斜率的概率密度函数海表面斜率的概率密度函数 （Probability Density Function of the Sea Surface Slopes）8.3.3 布喇格共振散射（布喇格共振散射（Bragg-
15、Resonant Scatter）8.3.4 两尺度散射模型（两尺度散射模型（Two-Scale Scattering Model）8.3.1 镜面反射（镜面反射（Specular Reflection）镜面反射是海表面上许多像镜子似的小平面（镜面反射是海表面上许多像镜子似的小平面（mirror-like facets of the sea surface）的反射产生的，这些小平面的尺度应大于被反射的）的反射产生的，这些小平面的尺度应大于被反射的电磁波的波长。粗糙海面上的许多小平面对电磁波的镜面反射电磁波的波长。粗糙海面上的许多小平面对电磁波的镜面反射（specular reflection）
16、也被称为）也被称为“镜点散射镜点散射”（specular-point scatter）。）。根据镜面反射理论，传感器能够接收在海表面上像镜子似的每个小平面根据镜面反射理论，传感器能够接收在海表面上像镜子似的每个小平面反射的电磁波；相对于这些在海表面上像镜子似的小平面，雷达波束的反射的电磁波；相对于这些在海表面上像镜子似的小平面，雷达波束的入射角入射角=0。相反，入射角不为零的那些小平面反射的雷达波束。相反，入射角不为零的那些小平面反射的雷达波束（radar beam）不能返回传感器。）不能返回传感器。镜面反射产生的标准化雷达后向散射截面镜面反射产生的标准化雷达后向散射截面NRCS0根据物理光学
17、（根据物理光学（physical optics），镜面反射（），镜面反射（specular reflection）产生的标准化雷达后向散射截面产生的标准化雷达后向散射截面NRCS（Normalized Radar-backscatter Cross Section）0 可从电磁场方程出发经过推导获得可从电磁场方程出发经过推导获得 （8-9）U10是中性稳定的大气条件下海面上是中性稳定的大气条件下海面上10m处的风速（处的风速（wind speed at 10m above the sea surface），），是雷达波束相对于海表面的入射角（是雷达波束相对于海表面的入射角（incidence
18、angle），），（local=0）代表在垂直入射条件下海代表在垂直入射条件下海-气界面的菲涅耳反射率，气界面的菲涅耳反射率，local是雷达波束相对于各个反射小平面（是雷达波束相对于各个反射小平面（facet）的入射角，）的入射角，f（x,y）是海表面斜率（是海表面斜率（slopes of the sea surface）的联合概率密）的联合概率密度函数度函数PDF（Probability Density Function），），x和和y分别代表在分别代表在x方向和在方向和在y方向的斜率。方向的斜率。)0(),(fsec),U(localyx41008.3.2 海表面斜率的概率密度函数海表面
19、斜率的概率密度函数（Probability Density Function of the Sea Surface Slopes）定义定义:在在x方向的海表面斜率方向的海表面斜率x 和在和在y方向的海表面斜率方向的海表面斜率y 和和 （8-10）式中式中是波面高度（是波面高度（sea surface elevation）。）。海表面波浪引起的斜率近似地符合海表面波浪引起的斜率近似地符合高斯分布高斯分布（Gaussian distribution）或称为正态分布（或称为正态分布（normal distribution），即），即 （8-11）式中式中x和和y分别是逆风（分别是逆风（upwind
20、direction）和侧风（）和侧风（crosswind direction）方向的斜率分量，）方向的斜率分量，u2和和c2分别是逆风和侧风方向上的分别是逆风和侧风方向上的“均均方斜率方斜率”MSS（Mean Square Slope）在在x方向的斜率方向的斜率x与入射角与入射角的关系是的关系是 （8-12）式中式中是观测的方位角（是观测的方位角（azimuth angle），它代表雷达波束在海面投影），它代表雷达波束在海面投影与风向的夹角。与风向的夹角。xxyy)(21exp21),(f2c2y2u2xcuyxsintancostanyx极坐标下，对于近似地可视为各向同性的海面斜率，高斯分布
21、的极坐标下，对于近似地可视为各向同性的海面斜率，高斯分布的PDF是是 （8-13）式中海面斜率式中海面斜率r=tan，在推导中采用了，在推导中采用了“均方斜率均方斜率”的近似表达式的近似表达式u2c2。Gram-Charlier分布比高斯分布有较高的精确度。然而，一个更适合的分布比高斯分布有较高的精确度。然而，一个更适合的概率密度函数是（概率密度函数是（Liu等等1997）(8-14)式中式中n是峰度系数（是峰度系数（kurtosis coefficient）。他们发现在）。他们发现在U1015m/s 的的条件下，通过与高度计和散射计的经验模型的比较，可以获得峰度系数条件下，通过与高度计和散射
22、计的经验模型的比较，可以获得峰度系数n5。上式中的。上式中的u2和和c2指海面上那些波长大于雷达波长的波浪在逆风方指海面上那些波长大于雷达波长的波浪在逆风方向和侧风方向的向和侧风方向的“均方斜率均方斜率”，那些波长小于雷达波长的波浪对镜面反，那些波长小于雷达波长的波浪对镜面反射不做出贡献。射不做出贡献。Liu等（等（2000）给出了不同波段雷达对应的海表面）给出了不同波段雷达对应的海表面“均均方斜率方斜率”u2和和c2随风速变化的经验关系式。随风速变化的经验关系式。)r(21exp21),r(f2u2cu2/)2n(2c222u22cu)1n(sintan)1n(costan1)1n(2n),
23、(tanf8.3.3 布喇格共振散射布喇格共振散射（Bragg-Resonant Scatter）布喇格共振条件布喇格共振条件（condition of Bragg resonance）是）是 或或 式中式中k是波数是波数,是波长，是波长，是入射角，即雷达波束与海面垂线的夹角。是入射角，即雷达波束与海面垂线的夹角。图图8-3给出了雷达发射的电磁波与海表面毛细重力波之间产生布喇格共给出了雷达发射的电磁波与海表面毛细重力波之间产生布喇格共振条件的示意图。振条件的示意图。sin2waterradarsink2kradarwater当当 等于雷达波长等于雷达波长radar时，从海面上时，从海面上后向散
24、射的电磁波有相同的相位后向散射的电磁波有相同的相位（phase），具有相同相位的电），具有相同相位的电磁波相遇产生布喇格共振。磁波相遇产生布喇格共振。BC2sinAB2sin2water根据电磁波散射理论，在一阶近似的条件下，由布喇格共振散射产生的标根据电磁波散射理论，在一阶近似的条件下，由布喇格共振散射产生的标准化雷达后向散射截面准化雷达后向散射截面 NRCS0 是是 (8-17)式中式中是入射角，是入射角，U10 是在中性稳定的大气条件下海上是在中性稳定的大气条件下海上10m高度的风速，高度的风速，kR 是雷达的波数（是雷达的波数（radar wavenumber），），（kw,）是在极坐
25、标下重力毛细波和短重力波的波数谱）是在极坐标下重力毛细波和短重力波的波数谱（wavenumber spectrum），），kw=2kRsin是与电磁波产生布喇格共振的海面重力毛细波或者短重力是与电磁波产生布喇格共振的海面重力毛细波或者短重力波的波数（波的波数（wavenumber of gravity-capillary waves），），是雷达波束的方位角（是雷达波束的方位角（azimuth angle），即雷达波束在海面投影与），即雷达波束在海面投影与风向的夹角。风向的夹角。g（）是加权因子。）是加权因子。)0,sink2()(k16),U(R24R100g加权因子加权因子g g（）:对于
26、对于垂直垂直极化发射和接收的雷达，加权因子极化发射和接收的雷达，加权因子g g（）是）是 (8-18)(8-18)式中式中T Tv v=1+R=1+Rv v ，R Rv v和和R Rh h是菲涅耳反射系数，下标是菲涅耳反射系数，下标“v”v”和和“h”h”表示极化的方式；表示极化的方式；r r是海水的相对电容率是海水的相对电容率（permittivity of sea waterpermittivity of sea water）。）。对于对于水平水平极化发射和接收的雷达，加权因子极化发射和接收的雷达，加权因子g()g()是是 (8-19)(8-19)22v2vvvsin)11(21cos)(
27、)(rTRgg2hhhcos)()(Rgg利用菲涅耳反射系数公式消去利用菲涅耳反射系数公式消去R Rv v，T Tv v和和R Rh h，（，（8-188-18）和（）和（8-198-19）可变为）可变为对于海对于海-气界面，气界面，n1=1.0 和和 ，进一步，如果我们将一个近似公式进一步，如果我们将一个近似公式 代入公式（代入公式（8-20）和（）和（8-21）可变为传统的公式可变为传统的公式.应该指出，在微波波段，传统公式并不成立。所以，公式（应该指出，在微波波段，传统公式并不成立。所以，公式（8-20）和）和（8-21）是一个改进，虽然它们的计算结果与传统的公式差别不大。）是一个改进，
28、虽然它们的计算结果与传统的公式差别不大。将以波数为自变量的风浪谱和加权因子的计算公式（将以波数为自变量的风浪谱和加权因子的计算公式（8-20）和（）和（8-21）代）代入（入（8-17），即可获得由布喇格共振散射产生的标准化雷达后向散射截），即可获得由布喇格共振散射产生的标准化雷达后向散射截面面0。0.1)nnnn(2112rn2222221122122122122211221222212212vvcossin)nn()(cos)(1)()nn()(sin)sin1()(1)(nnnnnnnnnnnnnnnng222221122122221122212hhcossin)nn()(cossin)
29、nn(cos)(nnnnnnnng考虑到海面上长波和短波这两个尺度波浪的客观存在，人们考虑到海面上长波和短波这两个尺度波浪的客观存在，人们为了提高计算的精度，对骑在长波上的短波的散射进行了研为了提高计算的精度，对骑在长波上的短波的散射进行了研究，并发展了究，并发展了组合表面散射模型组合表面散射模型（Composite-Surface Scattering Model）来计算标准化雷达后向散射截面）来计算标准化雷达后向散射截面0。因。因为只考虑了两个尺度的波浪，所以该模型也被称为为只考虑了两个尺度的波浪，所以该模型也被称为两尺度散两尺度散射模型射模型（Two-Scale Scattering M
30、odel）。）。两尺度散射模型先计算出局地小面积元上重力毛细波的布喇两尺度散射模型先计算出局地小面积元上重力毛细波的布喇格散射的贡献，然后再利用海面斜率的概率密度函数对各个格散射的贡献，然后再利用海面斜率的概率密度函数对各个局地小面积元积分。在局地小面积元上的计算中，考虑了长局地小面积元积分。在局地小面积元上的计算中，考虑了长波的倾斜引起的局地入射角和极化状态的改变。波的倾斜引起的局地入射角和极化状态的改变。8.4 经验模型经验模型（Empirical Model）8.4.1 海洋风反演的经验模型海洋风反演的经验模型（Empirical Model of Oceanic Wind Retrie
31、val）8.4.2 两个模型之间的比较两个模型之间的比较（Comparison between Two Models）针对针对ERS1/2携带的携带的C波段波段/5.3GHz的散射计，人们发展了的散射计，人们发展了CMOD1和和CMOD2两个试验模型，以及两个试验模型，以及CMOD3、CMOD4和和CMOD5三个实用模型。三个实用模型。针对针对Seasat-A-1携带的携带的Ku波段波段/13.9GHz的散射计的散射计SASS（Seasat-A Satellite Scatterometer），人们发展了），人们发展了SASS和和 SASS两个实用两个实用模型。模型。通过将散射计测量的风速与浮
32、标测量数据比较，人们发现在通过将散射计测量的风速与浮标测量数据比较，人们发现在4-24 m/s的的风速范围内，散射计测量风速的准确度（风速范围内，散射计测量风速的准确度（accuracy）达到）达到2 m/s，相对，相对平均误差（平均误差（relative mean error）达到）达到10%，二者不一致时取误差较大，二者不一致时取误差较大者；风向的准确度达到者；风向的准确度达到20。在反演公式中，标准化雷达后向散射截面在反演公式中，标准化雷达后向散射截面0是散射计测量的已知数据，是散射计测量的已知数据，雷达波束与海表面垂直方向的夹角即入射角雷达波束与海表面垂直方向的夹角即入射角也是已知条件
33、。海面上也是已知条件。海面上10m高的风速高的风速U10和风向和风向是未知变量，这里风向定义为雷达波束在海面是未知变量，这里风向定义为雷达波束在海面的投影与风向的夹角，也称为观测的方位角（的投影与风向的夹角，也称为观测的方位角（azimuth angle）。由于）。由于在每个探测点存在两个未知变量，至少需要两个方程。在每个探测点存在两个未知变量，至少需要两个方程。ERS1/2携带的携带的C波段波段/5.3GHz的散射计拥有三个天线，每个天线相对于的散射计拥有三个天线，每个天线相对于每个探测点的入射角各不相同，需要根据各天线的雷达波束方向计算出每个探测点的入射角各不相同，需要根据各天线的雷达波束
34、方向计算出各入射角。各入射角。三个天线的探测结果可以构成三个方程三个天线的探测结果可以构成三个方程，采用最小二乘法求，采用最小二乘法求解这三个方程组成的方程组。解这三个方程组成的方程组。每对风速每对风速U10和风向和风向代入经验模型都获得一个标准化雷达后向散射截面代入经验模型都获得一个标准化雷达后向散射截面0，三个天线的对应着三个，三个天线的对应着三个0，它们与三个天线的探测结果的误差和是，它们与三个天线的探测结果的误差和是风速风速U10和风向和风向的函数。误差和函数的每个极小值对应着风速的函数。误差和函数的每个极小值对应着风速U10和风和风向向一个可能的解。在每个探测点，一般可以获得多对风速
35、一个可能的解。在每个探测点，一般可以获得多对风速U10和风向和风向可能的解。采用可能的解。采用最小二乘法原则最小二乘法原则，将这些解按照误差大小排序，误差最，将这些解按照误差大小排序，误差最小者排为最可能的解，其次为第二可能的解。一般地，地面处理中心给小者排为最可能的解，其次为第二可能的解。一般地，地面处理中心给出出4组解可供用户选择。组解可供用户选择。CMOD3及及 SASS公式公式CMOD3是针对欧空局卫星是针对欧空局卫星ERS1/2携带的携带的C波段波段/5.3GHz的散射计而发展的散射计而发展的经验模型。基于机载散射计的测量和浮标同步数据的拟合曲线，的经验模型。基于机载散射计的测量和浮
36、标同步数据的拟合曲线，CMOD3研究组提出了关于海面风速和风向反演的以下公式研究组提出了关于海面风速和风向反演的以下公式美国宇航局发展了经验模型美国宇航局发展了经验模型SASS和和SASS，它们是针对美国，它们是针对美国“海海洋卫星洋卫星”Seasat-A携带的携带的Ku波段波段/13.9GHz的散射计的散射计SASS（Seasat-A Satellite Scatterometer）发展的海面风反演算法。）发展的海面风反演算法。SASS公式是公式是2222c2b2b2300)1cos2()e1()e1(b1 b)2cos()Uloga(cos)Uloga(1 Ua1022101110000参
37、数表示见书NSCAT简介简介搭载在日本卫星搭载在日本卫星ADEOS-1上的美国宇航局散射计上的美国宇航局散射计NSCAT是第一部双幅是第一部双幅侧扫描的侧扫描的Ku-波段（波段（13.995 GHz）的主动雷达；）的主动雷达；1996年年9月至月至1997年年6月期间月期间NSCAT获得了全球海表面上的风矢量连续资料。获得了全球海表面上的风矢量连续资料。散射计探测海面首先获得标准化雷达后向散射截面（散射计探测海面首先获得标准化雷达后向散射截面（normalized radar cross section）0数据。在数据。在NSCAT产品产品L17（Level 1.7）中，）中，0的时间间隔是的
38、时间间隔是6小时，每个小时，每个0占据占据50km50km的单元。这些单元的单元。这些单元被称为风矢量单元被称为风矢量单元WVC（wind vector cells）。）。在每侧刈幅（在每侧刈幅（swath）各有各有12个个WVC，左右两侧共计，左右两侧共计24个个WVC；每个风矢量单元；每个风矢量单元WVC包含包含一个或两个来自一个或两个来自4个个NSCAT天线（天线（fore v-pol,mid v-pol,mid h-pol,aft v-pol）的）的0。产品产品L17的数据项包括时间（的数据项包括时间（time）、纬度（）、纬度（latitude）、经度）、经度（longitude）、
39、入射角（）、入射角（incidence angle）、方位角（）、方位角（azimuth angle）、标准化雷达后向散射截面（）、标准化雷达后向散射截面（normalized radar cross section）0和质量标记（和质量标记（quality flag）。）。NSCAT-1模型及校正公式模型及校正公式针对针对NSCAT散射计的散射计的L17数据产品，依据数据产品，依据SSM/I风速数据集、风速数据集、ECWMF风速数据集、美国国家浮标资料中心风速数据集、美国国家浮标资料中心NDBC提供的浮标数据和太平洋海提供的浮标数据和太平洋海洋环境实验室洋环境实验室PMEL热带大气海洋热带大
40、气海洋TAO计划提供的赤道浮标阵列数据，计划提供的赤道浮标阵列数据，科学家发展了科学家发展了NSCAT-1、NSCAT-2、Ku-2000 和和Ku-2001等海面风反等海面风反演算法。演算法。海面风反演算法的海面风反演算法的NSCAT-1模型是（模型是（Wentz和和Smith 1999）(8-35)NSCAT-1模型不尽人意，模型不尽人意，Wentz和和Smith（1999）提出了对）提出了对NSCAT-1模型导出风速的模型导出风速的校正公式校正公式。校正后的风速。校正后的风速W10等于等于 (8-42)式中式中U10代表代表NSCAT-1模型导出的风速，需要校正的误差模型导出的风速，需要
41、校正的误差W由下面公由下面公式计算式计算参数表示见书)2cosAcosA1(A)h,v(2)h,v(1)h,v(0)h,v(0WUW1010)2(u 12(cosc)1(cosc)U01.0exp()2sincsinc(W4321021正如公式（正如公式（8-8）所示，标准化雷达后向散射截面）所示，标准化雷达后向散射截面0包括两个部分，一包括两个部分，一部分由电磁波在海面上由镜面反射机制产生，另一部分由电磁波与海表部分由电磁波在海面上由镜面反射机制产生，另一部分由电磁波与海表面短波之间的布喇格共振散射机制产生。面短波之间的布喇格共振散射机制产生。由电磁波在海面上由镜面反射机制产生的标准化雷达后
42、向散射截面由电磁波在海面上由镜面反射机制产生的标准化雷达后向散射截面0由由公式（公式（8-9）给出，由两尺度散射模型产生的标准化雷达后向散射截面）给出，由两尺度散射模型产生的标准化雷达后向散射截面0由公式（由公式（8-29）给出，局地的标准化雷达后向散射截面）给出，局地的标准化雷达后向散射截面0由公式（由公式（8-25）给出。）给出。0 是无量纲的，由于是无量纲的，由于0变化范围太大，我们使用公式（变化范围太大，我们使用公式（8-7）里的里的0（dB）表示标准化雷达后向散射截面（）表示标准化雷达后向散射截面（NRCS）。）。综上所述，综上所述，Liu等（等（1997，2000）使用公式（）使用
43、公式（8-7）、（）、（8-8）、（）、（8-9）、）、（8-25）和（）和（8-29）获得了标准化雷达后向散射截面）获得了标准化雷达后向散射截面0（dB）。）。如果将如果将此风速反演算法称为物理模型，那么，将它与经验模型的比较是有意义此风速反演算法称为物理模型，那么，将它与经验模型的比较是有意义的。的。图图8-4和图和图8-5显示了针对欧空局卫星显示了针对欧空局卫星ERS1/2携带的携带的C波段波段/5.3GHz的散射计，在的散射计，在38o入射角和垂直极化条件下使用上述物理模型的计算结入射角和垂直极化条件下使用上述物理模型的计算结果与经验模型果与经验模型CMOD3、CMOD4和和CMOD5
44、的比较（引自的比较（引自Liu等等1997，2000）。）。图图8-4显示了在显示了在5.3 GHz、38o入射角和垂直极化条件下的雷达后向散射截面入射角和垂直极化条件下的雷达后向散射截面0（dB）随观测的方位角随观测的方位角变化的曲线，其中风速变化的曲线，其中风速U10是参变量。从下至上四组曲线对应着是参变量。从下至上四组曲线对应着3、10、17和和24m/s的风速，雷达频率的风速，雷达频率f=5.3 GHz，极化状态是垂直极化发射和垂直极，极化状态是垂直极化发射和垂直极化接收，化接收，图中图中纵坐标纵坐标是标准化雷达后向散射截面是标准化雷达后向散射截面NRCS，即使用分贝表示的，即使用分贝
45、表示的0（dB）；）；横坐标横坐标是观测的方位角即雷达波束在海是观测的方位角即雷达波束在海面的投影与风向的夹角面的投影与风向的夹角。菱形菱形（rhombus）代表）代表CMOD3，矩形矩形（square）代表）代表CMOD4，加号加号（plus）代表）代表CMOD5，实线实线表示使用物理模型考虑布喇格共振表示使用物理模型考虑布喇格共振和镜面反射共同效果计算获得的和镜面反射共同效果计算获得的0（dB）。）。图中图中纵坐标纵坐标是标准化雷达后向散射截面是标准化雷达后向散射截面NRCS，即使用分贝表示的，即使用分贝表示的0（dB）；）；横坐标横坐标是雷达是雷达波束的入射角，即雷达波束方向与垂直方向之
46、间的夹角。波束的入射角，即雷达波束方向与垂直方向之间的夹角。菱形菱形（diamond）代表）代表CMOD3，加号加号（plus）代表）代表CMOD4，实线实线表示使用物理模型考虑布喇格共振和镜面反射共同效果的表示使用物理模型考虑布喇格共振和镜面反射共同效果的0（dB）计算结果，）计算结果，虚线虚线表示只考虑镜面反射效果计算获得的表示只考虑镜面反射效果计算获得的0（dB）。）。图图8-5（a）显示了在）显示了在5.3 GHz和垂直极化条和垂直极化条件下逆风方向的雷达后向散射截面件下逆风方向的雷达后向散射截面0（dB）随入射角变化的曲线，其中风速随入射角变化的曲线，其中风速U10是参变是参变量。从
47、下至上四组曲线对应着量。从下至上四组曲线对应着3、10、17和和24m/s的风速，雷达频率的风速，雷达频率f=5.3 GHz，极化，极化状态是垂直极化发射和垂直极化接收。观状态是垂直极化发射和垂直极化接收。观测的方位角代表雷达波束在海面投影与风测的方位角代表雷达波束在海面投影与风向的夹角，向的夹角，=0对应着逆风方向。对应着逆风方向。图图8-5（b）显示了在）显示了在5.3 GHz和垂直极化条和垂直极化条件下侧风方向（件下侧风方向（crosswind direction）的）的雷达后向散射截面雷达后向散射截面0（dB）随入射角变化）随入射角变化的曲线，其中风速的曲线，其中风速U10是参变量。从下至上是参变量。从下至上四组曲线对应着四组曲线对应着3、10、17和和24m/s的风速，的风速，=90对应着侧风方向（对应着侧风方向（crosswind direction）。）。第八章结束第八章结束
