11.5.1引言
海面风场资料，对各种海洋环境数值预报模式都是十分重要的边界条件。遗憾的是，海面风场资料严重缺乏。从浮标和船舶所获得的风测量数据十分有限，且离散性大、分布不均匀。科学家们一直在寻求获得海面风场资料的有效手段。可见光和红外卫星遥感首先得到广泛应用，利用静止气象卫星云图，通过云导风技术获得高空风场，这种方法从70年代一直沿用至今。星载微波散射计探测海面风场的建议早在1966年提出，这种技术的有效性被1973年Skylab卫星S-193散射计和1978年SeasatA卫星SASS散射计的成功经验所证实。1991年欧洲空间局(ESA)的ERS-1卫星上装载的主动微波探测仪(AMI)设有散射计工作模式，使卫星散射计风场测量进入业务化监测的新纪元。
卫星散射计风场数据对于海洋环境数值预报、海洋灾害监测、海气相互作用、气象预报、气候研究等具有重要意义。
目前，常见的方法是将卫星散射计资料与静止气象卫星云图和微波辐射计SSM/I图象相互补充。静止气象卫星(如GMS)资料，具有较高的时间分辨率，每隔15～20min接收一次温度和水汽的图象数据。卫星散射计资料具有较高的精度和空间分辨率。SSM/I也具有较高的时间分辨率(每3天覆盖全球一次)。多卫星传感器资料的数据融合，有助于对有关过程的认识。
11.5.2星载微波散射计测风原理
微波散射计通过测量风引起的粗糙海面对微波的后向散射特性来推算风场。在海面上，毛细波叠加在重力波上，风的变化引起海表面粗糙度的变化，使接收到的回向散射随之变化。根据回向散射与风矢量之间的相关模式，经过地球物理定标后就能得出海面风场。
微波海面散射的物理机制十分重要而复杂，尚无一种精确的模式。一般认为，海水的雷达回向散射主要有两个物理机制。当入射角接近天底角时，回向散射主要是镜面反射。当入射角大于20°时，回向散射主要是布拉格(Bragg)散射，海水表面波波长与入射波长可以比拟，散射波主要来源于那些满足布拉格共振条件的表面波，回向散射截面决定于这些小尺度波的功率谱密度，如式11-27所示
率谱密度，k为表面波波数。根据风速与小尺度波的功率谱的关系
可以导出单位面积回向散射系数的Bragg表达式为
其中β=102为常数，u*为摩擦风速，g为重力加速度，海面风场的信息就隐含在其中的二维波数谱密度之中。可见，海面回向散射σ0随摩擦风速u*线性增长。
11.5.3星载微波散射计风场的反演
对海面雷达回向散射与风场的关系，已经进行了大量的研究，并且提出了很多经验模式函数以便进行风矢量的反演。
一、SEASATA散射计风场的反演
SASS的工作频率为Ku波段(14.6GHz)，Ku波段的经验模型由Moore和Fung于1979年提出，称为Moore模型
其中σ0是海面的雷达回向散射系数，V是海面以上19.5m参考高度的中性
各系数α和γ定义为θ的展开式。以后，又开发了多种风矢量反演算法，其中较好的算法如11-31式所示：
其中，G、H模式函数表(G-H查找表)是通过与独立的现场海面风场测量相比较获得。NSCAT的风场反演模式基本上同SASS。
二、ERS-1星载微波散射计风场的反演
ERS-1卫星散射计工作频率为C波段(5.3GHz)，A.E.Long于1985年提出了C波段的雷达回向散射系数与风矢量关系的经验模型CMODI：
是波束和风向之间的观测角，各系数ci和γ定义为θ和V的展开式。
ESA根据卫星发射后所获得的散射计风场与现场资料比较，对算法进行改进和完善，又开发了CMOD2、CMOD3、CMOD4、CMOD5-12等。其中CMOD5-12如11-33式所示：
从ERS-1星载微波散射计运行以来获取的大量数据看，风矢量算法达到了设计的要求。高风速(25m/s以上)情况下的算法是目前的研究前沿。图11-15给出ADEOS/NSCAT和ERS-2/SCAT散射计资料获得的风速分布。
11.5.4SSM/I简介
多波段微波辐射扫描仪SSM/I(SpecialSensorMicrowaveImager)装载在美国空军国防气象卫星计划DMSP(DefenseMeteorologicalSatelliteProgram)业务化极轨气象卫星上，主要用于获取全球海面风速分布、降雨、云中水量、积分水汽以及海冰等海洋环境参数。分别于1987年DMSPF8、1990年DMSPF10和1991年DMSPF11卫星上装载同样类型的微波辐射计SSM/I。
DMSP系列气象卫星是太阳同步极轨卫星。SSM/I以1400km的扫描宽度对地观测，每三天可对全球观测一次。SSM/I由7个不同的微波功率辐射计组成，工作波段为19.3、37.0、22.2、85.5GHz。除22.2GHz的水汽通道是一个垂直极化外，其余探测通道均采用双极化观测。SSM/I的地面采样间隔分别为12.5km(85GHz)和25km(其它波段)。在3～25m/s测量范围内的测风精度为±2m/s。
SSM/I的测风原理主要是基于海面微波辐射率与海面粗糙度之间的高度相关特征，而海面粗糙度直接与风速有关。海面粗糙度增加，海面辐射率增加，极化特性变弱。其主要机制有三种：海表面波引起的微波辐射水平、垂直极化状态和入射角的改变；海面破碎引起的海气混合增加微波辐射率；海表面波引起的微波折射。
SSM/I风速反演算法主要有两种：一种是统计回归分析算法，主要基于微波辐射亮温与现场风速之间的均方误差最小的统计分析。另一种算法是基于辐射传递的物理算法。统计回归算法不考虑物理机制，但利用微波辐射率与不同极化状态下微波辐射亮温间的相关关系；物理算法基于辐射传递方程的近似解并进行递归计算。一般情况下，统计回归算法在区域范围内精度较好而物理算法在全球范围内应用更有效(Bates，1991)。
11.5.5卫星风场资料的应用
一、台风与热带气旋
从星载微波散射计获得的风场资料中可以清楚地看到台风所特有的涡旋型结构、台风中心(即台风“眼”)的位置及移动路径。卫星散射计数据与静止气象卫星云图、SSM/I水汽数据进行综合分析，可以看出气旋水汽的变化、不对称性的增长、前锋结构及风场结构。图11-16给出ADEOS/NSCAT散射计观测到的9616号台风的移动轨迹。
二、二氧化碳气体交换
观测表明，大气中的二氧化碳气体的浓度正以年平均6.696×10-8mol/dm3速度增加。由于海洋中的碳储藏量50倍于空气中的含量，因此研究大气-海洋间的二氧化碳气体交换，探索海洋的碳储藏能力，对研究全球碳循环和气候变化至关重要。由于直接测量通量十分复杂，通常海气间的二氧化碳通量由海气间的二氧化碳的分压和气体交换系数计算获得。气体交换系数决定气体交换的快慢，主要由海面风速分布决定。目前，国际上已把卫星反演风速应用于海气二氧化碳通量研究中。图11-18给出北太平洋二氧化碳气体交换系数的季节变化规律。
三、海洋环境数值预报
高质量、高时空分辨率的卫星海面风场通过数据同化输入到海洋环境数值预报模式中，对海洋动态变化研究、灾害性海况预报至关重要。由于现场风场资料的缺乏，对气旋、台风以及风生流研究进展缓慢，利用卫星获得的风场资料同化到相应的数值预报模式将有助于对上述现象的理解和模式的修正。NSCAT风场资料同化到数值气象预报模式中，发现对南半球的气压场、风场的数值预报有显著改进。NSCAT资料比欧洲中长期天气预报(ECMWF)的风速分布在高频部分包含更多能量，散射计风场资料对海浪数值预报、大洋环流、ENSO等的研究也引起了广泛兴趣。
