雷达卫星SAR与防卫气象卫星SSM_I对渤海海冰的观测研究

[文章编号] 0001-5733(2001)02-0163-08[中图分类号] P412

雷达卫星SAR 与防卫气象卫星SSM/I

对渤海海冰的观测研究

金亚秋 陈 轶 张 巍 张南雄

(复旦大学波散射和遥感中心,上海 200433)

黄润恒 吴奎桥

(国家海洋局海洋环境预报中心,北京 100081)

[摘 要] 用雷达卫星(RADARSAT )合成孔径雷达(SAR )和防卫气象卫星(DM SP)特别微波成像辐射计(SSM /I)在1999年1月23日同一天对中国渤海区域海冰的观测数据,进行了主动SAR 与被动SSM /I 的组合研究.用一层海冰电磁散射辐射的建模与数值模拟,分析了中纬度渤海沿岸海冰的特征性变化,提出用SSM /I 辐射亮度温度的散射指数、极化指数、极化比率来识别渤海海冰;用RADARSAT 高分辨率SAR 数据(水平极化后向散射系数)对渤海海冰物理特征进行识别与分类.这些特征指数在时间与空间尺度上的相关变化可有效地应用于渤海海冰的监察.

[关键词] 渤海海冰,雷达卫星合成孔径雷达,防卫气象卫星特别微波成像辐射计,特征指

数.

1 引 言

海冰覆盖的识别与分类对全球变化、地球水圈辐射、极地气候等,均有相当重要的影响.而区域性海冰变化的监测对该区域海面作业与运输安全,起着十分重要的作用.现有的海冰观测研究大多限于高纬度的极区海冰,基本上是多年海冰,与中纬度海域(如中国渤海、黄海)只持续于冬季的沿岸海冰,在物理成分与形态特征、持续时间、时间与空间的多变等方面有很大的不同.无论是观测数据的收集分析,还是海冰识别、分类与特征参数反演算法的研究,都应对中国中纬度海域的沿岸海冰有特别的研究.

近20年内,星载微波遥感技术取得了重要的进展,多项空间遥感计划可以全天候地、多年连续地取得全球物理、水文观测数据与成像.主动微波遥感的重要进展是合成孔径雷达(SAR)技术,如加拿大1995年11月发射的雷达卫星(RADARSAT)的SAR,用于观测C 波段(513GH z)水平同极化(hh)的后向散射系数(R hh ),有很高的空间分辨率.被动

[收稿日期] 2000-06-21收到,2000-10-30收到修改稿.

[基金项目] 国家自然科学基金项目(49831060,69771007),国家高技术研究发展计划项目(863-818-06-05).

[作者简介] 金亚秋,男,生于1947年,1970年毕业于北京大学,1985年获美国麻省理工学院博士学位.教授、波散射与遥感中心主任.主要研究复杂介质中电磁波散射与辐射传输等.E-mai l:yqjin@

第44卷第2期

2001年3月 地球物理学报

CHIN ESE JOU RN AL OF G EO PHY SI CS V ol.44,N o.2 M ar.,2001

微波遥感的重要进展是成像辐射计,如1987年6月起直至21世纪初连续进行的美国防卫气象卫星计划(DMSP)的特别微波成像辐射计(SSM/I),它有7个通道(19,37,85GH z 垂直与水平极化,22GH z垂直极化)观测辐射亮度温度(T B).利用多通道、多极化与多种遥感器观测数据综合地提取地球物理、水文等定量科学信息,已是地球遥感面临的主要任务.

本文用RADARSAT的SAR与DM SP的SSM/I在1999年1月23日同一天对中国渤海区域海冰的观测数据,作主动SAR与被动SSM/I的组合研究,用于中国渤海海冰的识别与分类.海冰是冰与溶盐杂质为背景,空气泡为散射元的介质.由辐射传输理论可计算遥感通道上的海冰介质的电磁散射与辐射.由散射辐射建模的数值模拟和SAR与SSM/I数据验证,分析了中纬度渤海沿岸海冰的特征性变化,提出用SSM/I的T B的散射指数(SI)、极化指数(PI)、极化比率(P R)来识别渤海海冰;用RADARSAT高分辨率SAR的R hh对渤海海冰物理特征进行识别与分类.这些特征指数在时间与空间尺度上的相关变化可有效应用于渤海海冰的监察.结合更多的海冰实际观测数据,补充与改善经验性参数.将可进一步改善海冰的分类识别.

2海冰的散射与辐射

海冰按产生与持续时间可分为幼期冰、新冰、一年冰、多年冰等[1],冰厚一般也依此从几厘米到一米多.处在中纬度的中国渤海沿岸海冰一般从每年11月底开始持续至第二年3月初,持续时间短,冰层厚度从沿岸的几十厘米伸展到海中的几厘米,在时间上演变与沿岸空间分布多有变化,与极区多年海冰有很大的不同.海冰可看作是冰与溶盐杂质为背景,空气泡为散射元的介质.溶盐杂质以及冰与溶盐背景介质的介电常数E b的讨论可参见文献[2)4].本文取E b=(3.2+i0.2)E0.一年冰的空气泡体积占空比f a一般小于0105,冰的比重大致在0.87g/cm3左右,而多年冰为多层构造,空气泡体积占空比可大于0.2.冰的比重大致在0.7g/cm3左右.假定空气泡为小球形粒子,由强起伏散射理论,各向同性的海冰有效介电常数E g可由下式计算[2]

f a E a-E g

E a+2E g+(1-f a)

E b-E g

E b+2E g=0,(1)

其中空气泡介电常数E a=E0.海冰的介电常数与海水不同,频率的改变对海冰介电常数影响不大.

由多层随机介质的散射理论[5],可计算分层海冰的后向散射系数.对于一层海冰的模型,同极化后向散射系数可写为

R p p(H)=R SUR1(H)+R ICE(H)+R SUR2(H)exp(-2k d g d sec H),(2)其中pp=vv或hh,右边R SUR1为海冰上表面粗糙产生的面散射,R ICE为海冰(厚度d)中空气泡的体散射,R SUR2ex p(-2k d g d sec H)为海冰与下垫海水界面粗糙产生的面散射,包括通过海冰层的衰减,k d g=Im(k g)是海冰介质中波数的虚部.对于(2)式右边第一、第三项,采用双尺度Gauss粗糙面散射计算[2,3],对于第二项,采用小球形粒子随机介质的一阶散射计算[2,3].图1给出C波段35b入射角H I一层海冰的hh极化后向散射系数R hh.

164地球物理学报44卷