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根据海面毛细重力波Bragg散射的原理,微波散射计测量的归一化后向散射截面(后向散射系数)同时受海面风速和相对观测风向的调制。因此,散射计测量的后向散射系数可用于反演海面风场。星载微波散射计具有可以实现宽刈幅观测,重复覆盖全球海面时间短等特点,是测量海面风场的有力工具。但是高达4~10%的散射计测量数据会受到降雨的影响,尤其对于工作在Ku波段的散射计影响更加显著,例如工作在美国QuikSCAT卫星上的SeaWinds散射计,海洋二号(HY-2)卫星的微波散射计和印度Oceansat-2卫星的微波散射计。
降雨对散射计测量的影响主要包括:1)降雨对发射信号和海面回波的衰减和散射;2)降雨本身对雷达信号的体散射;3)雨滴冲击海面造成海面形态的改变从而改变海面散射。同时,伴随降雨形成的向下气流会造成临近降雨区域的海面风场趋于复杂多变,进而影响散射计风单元的后向散射系数的测量精度。本文旨在研究大气中降雨对海面散射的影响,即降雨对海面回波的散射和衰减及降雨本身的体散射,忽略了雨滴对海面形态改变造成的散射测量的影响。
本文将降雨结构按照其本身的垂直分布分为若干子层,各个子层的物理特性不同,但是子层内部认为是统计均匀的。研究过程中采用平均雨滴大小代表每一层雨滴尺寸,用Gamma模型描述每一层的雨滴分布。雨滴的散射特性利用Mie散射模型进行计算,海面的面散射用积分方程方法进行计算,每一个子层内部以及降雨与海面相互作用时的多次散射用矩阵耦合法进行计算。模型验证选用了TRMM PR测量数据。模型结果显示降雨的影响依赖于入射角,这一现象说明了研究扇形波束下降雨对散射计测量影响的必要性。
将上述模型与工作在Ku波段的星载旋转扇形波束系统结合,仿真得出了扇形波束入射角范围内降雨影响与入射角之间的关系,进而分析了扇形波束足迹范围内降雨的影响。仿真结果显示,入射角越大,降雨对海面散射的影响越强。